Введение в технологию поверхностного монтажа Учебное пособие Оглавление 1. Трафаретная печать ......................................................................................................... 7 1.1. Введение .................................................................................................................. 7 1.1.1. Общие вопросы ....................................................................................................... 7 1.1.2. Необходимое количество паяльной пасты ............................................................. 8 1.2. Пасты. Состав. Классификация. Правила работы с пастами ............................... 10 1.2.1. Состав и классификация ....................................................................................... 11 1.2.2. Правила работы с пастами .................................................................................... 14 1.3. Виды трафаретов. Технология изготовления трафаретов.................................... 14 1.3.1. Основные материалы и методы изготовления трафаретов .................................. 15 1.3.2. Общие рекомендации по выбору толщины и размеров отверстий трафарета .... 16 1.3.3. Трафареты для смешанной технологии ................................................................ 18 1.3.4. Трафареты для ПМИ / flip chip ............................................................................. 20 1.3.5. Трафареты для кристаллов.................................................................................... 21 1.3.6. Трафареты для ПМИ / BGA .................................................................................. 22 1.4. Технологические параметры. Выбор технологических параметров ................... 23 1.5. Технология Pin in Paste ......................................................................................... 25 1.6. Технология ProFlow .............................................................................................. 26 1.7. Технология нанесения клея через трафарет ......................................................... 28 1.7.1. Факторы, подлежащие рассмотрению .................................................................. 29 1.7.2. Что дает нанесение через трафарет? .................................................................... 30 1.7.3. Нанесение клея через металлический трафарет ................................................... 31 1.7.4. Нанесение клея через пластиковый трафарет ...................................................... 33 1.8. Дефекты нанесения пасты и способы их устранения .......................................... 34 1.9. Литература ............................................................................................................. 38 2. Дозирование ..................................................................................................................... 40 2.1. Введение ................................................................................................................ 40 2.2. Альтернативы дозирования .................................................................................. 40 2.2.1. Перенос штырем.................................................................................................... 40 2.2.2. Трафаретная печать ............................................................................................... 41 2.3. Типы дозаторов ..................................................................................................... 43 2.3.1. Ручные дозаторы ................................................................................................... 43 2.3.2. Автоматические дозаторы..................................................................................... 43 2.4. Технологические материалы................................................................................. 49 2.5. Технологические параметры дозирования ........................................................... 50 2.5.1. Общие рекомендации ............................................................................................ 50 2.6. Критерии качества. Дефекты дозирования и способы их устранения ................ 52 2.6.1. Критерии качества ................................................................................................. 52 2.6.2. Дефекты ................................................................................................................. 54 2.7. Дозирование паяльной пасты................................................................................ 55 2.7.1. Параметры дозирования под некоторые компоненты ......................................... 56 2.7.2. Дефекты ................................................................................................................. 57 2.8. Литература ............................................................................................................. 58 3. Установка компонентов................................................................................................. 59 3.1. Описание принципа работы автоматов установки ПМИ ..................................... 59 3.1.1. Типы СТЗ ............................................................................................................... 60 3.1.2. Типы питателей ..................................................................................................... 62 3.1.3. Типы приводов ...................................................................................................... 65 3.2. Классификация автоматов установки ПМИ ......................................................... 67 3.3. Характеристика каждой из схем автоматов ......................................................... 68 3.3.1. Схемы автоматов с раздельным перемещением (X-1, Y-1, Y-2) ......................... 68 3.3.2. Схема автоматов с установочным модулем карусельного типа .......................... 70 2 3.3.3. Схемы автоматов с порталом, перемещающимся по осям X,Y (“один портал”, “два портала”) ......................................................................................... 72 3.3.4. Схемы автоматов с роторными головками........................................................... 74 3.3.5. Схемы автоматов, захватывающих и устанавливающих сразу несколько компонентов .......................................................................................................... 76 3.4. Параметры автоматов установки ПМИ ................................................................ 77 3.5. Точность установки ............................................................................................... 77 3.6. Оценка характеристик автоматов по IPC 9850..................................................... 81 3.7. Реальная производительность автоматов ............................................................. 82 3.8. Литература ............................................................................................................. 85 4. Пайка оплавлением ........................................................................................................ 86 4.1. Введение ................................................................................................................ 86 4.2. Классификация печей оплавления по способу нагрева ....................................... 86 4.3. Профиль пайки. Требования к профилю пайки. Измерение профилей пайки.... 87 4.3.1. Профиль пайки и требования к нему.................................................................... 87 4.3.2. Измерение профилей пайки .................................................................................. 89 4.4. Технология двухсторонней пайки ........................................................................ 91 4.5. Пайка в инертной атмосфере ................................................................................ 93 4.6. Пайка бессвинцовыми припоями.......................................................................... 96 4.6.1. Типы бессвинцовых припоев ................................................................................ 96 4.6.2. Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса ........................... 99 4.6.3. Пайка бессвинцовыми припоями в инертной среде .......................................... 100 4.7. Дефекты пайки и способы их устранения .......................................................... 102 4.8. Литература ........................................................................................................... 108 5. Пайка волной................................................................................................................. 109 5.1. Введение .............................................................................................................. 109 5.2. Рекомендации по проектированию ПП .............................................................. 111 5.2.1. Посадочное место под компоненты SO и SOJ ................................................... 112 5.2.2. Посадочное место под компоненты HTSSOP, SSOP, TSSOP и VSO ................ 112 5.2.3. Посадочное место под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и TQFP ....................................................................................................... 114 5.2.4. Посадочное место под компоненты PLCC ......................................................... 115 5.3. Способы флюсования .......................................................................................... 115 5.3.1. Пенное флюсование ............................................................................................ 116 5.3.2. Флюсование распылением .................................................................................. 116 5.4. Модули предварительного нагрева .................................................................... 117 5.5. Конструкции конвейеров .................................................................................... 118 5.6. Гидродинамика волны......................................................................................... 119 5.6.1. Волнообразователь ERSA Power Wave .............................................................. 120 5.7. Припои. Влияние примесей на свойства припоев. Данные стандартов по примесям.............................................................................................................. 121 5.8. Технологические параметры............................................................................... 122 5.9. Измерение технологических параметров ........................................................... 124 5.10. Пайка в инертной атмосфере .............................................................................. 125 5.11. Пайка бессвинцовыми припоями........................................................................ 127 5.12. Дефекты пайки и способы их устранения .......................................................... 130 5.13. Литература ........................................................................................................... 134 6. Селективная пайка ....................................................................................................... 135 6.1. Введение .............................................................................................................. 135 6.2. Технологии селективной пайки .......................................................................... 136 6.3. Установки селективной пайки ............................................................................ 139 6.3.1. Транспортная система ......................................................................................... 139 3 6.3.2. Флюсование ......................................................................................................... 139 6.3.3. Модули предварительного нагрева .................................................................... 140 6.3.4. Модуль пайки ...................................................................................................... 141 6.4. Технологические параметры селективной пайки .............................................. 141 6.5. Управление внешним видом паяного соединения ............................................. 142 6.6. Правила конструирования ПУ для селективной пайки ..................................... 144 6.7. Литература ........................................................................................................... 144 7. Термокомпрессия .......................................................................................................... 145 7.1. Описание технологической операции и технологические параметры .............. 145 7.2. Анизотропные и изотропные клеи для соединения материалов методом термокомпрессии................................................................................................. 145 7.2.1. Общая характеристика ........................................................................................ 145 7.2.2. Типы полимеров .................................................................................................. 147 7.2.3. Основные типы токопроводящих клеев ............................................................. 149 7.3. Соединение термокомпрессией с помощью припоя .......................................... 150 7.3.1. Область применения ........................................................................................... 151 7.3.2. Конструкция соединения .................................................................................... 154 7.4. Дефекты ............................................................................................................... 156 7.5. Литература ........................................................................................................... 157 8. Отмывка......................................................................................................................... 158 8.1. Причины, приводящие к необходимости отмывки ............................................ 158 8.1.1. Высокая температура .......................................................................................... 158 8.1.2. Повышенная влажность ...................................................................................... 158 8.1.3. Влагозащитные покрытия ................................................................................... 158 8.1.4. Внешний вид изделия.......................................................................................... 158 8.1.5. Внутрисхемный контроль ................................................................................... 158 8.1.6. Ручная пайка ........................................................................................................ 159 8.2. Основные типы загрязнений ............................................................................... 159 8.3. Описание технологической операции ................................................................ 160 8.3.1. Процесс отмывки................................................................................................. 160 8.3.2. Процесс ополаскивания ...................................................................................... 160 8.3.3. Операция сушки .................................................................................................. 160 8.4. Промывочные жидкости ..................................................................................... 161 8.4.1. Традиционные промывочные жидкости............................................................. 161 8.4.2. Современные промывочные жидкости............................................................... 161 8.5. Технология МРС ................................................................................................. 163 8.5.1. Особенности МРС® технологии ........................................................................ 163 8.6. Чистота воды, используемой при операциях отмывки и ополаскивания ......... 164 8.6.1. Качество воды ..................................................................................................... 165 8.6.2. Методы очистки воды ......................................................................................... 165 8.7. Технологические параметры............................................................................... 166 8.7.1. Процессы отмывки .............................................................................................. 166 8.7.2. Типовые технологические процессы .................................................................. 167 8.8. Дефекты отмывки. Причины возникновения белого налета после отмывки.... 169 8.8.1. Неполностью растворенные остатки флюса ...................................................... 169 8.8.2. Выпадение минеральных солей в осадок ........................................................... 170 8.8.3. Формирование солей металлов ........................................................................... 170 8.8.4. Отсутствие совместимости материалов паяльной маски с флюсом или моющим раствором ............................................................................................. 171 8.8.5. Частичное или полное удаление наклеек, штрих-кода ...................................... 171 8.9. Методы определения качества отмывки ............................................................ 171 8.9.1. Визуальный контроль.......................................................................................... 171 4 8.9.2. Контроль ионных загрязнений............................................................................ 172 8.9.3. Оценка поверхностного сопротивления изоляции (SIR-тест) ........................... 173 8.9.4. Оценка электромиграции .................................................................................... 173 8.10. Литература ........................................................................................................... 173 9. Нанесение влагозащитных покрытий ....................................................................... 175 9.1. Причины, приводящие к необходимости нанесения влагозащитных покрытий.............................................................................................................. 175 9.1.1. Влияние климатических воздействий ................................................................ 175 9.1.2. Повышенная влажность ...................................................................................... 175 9.1.3. Осмотические явления ........................................................................................ 175 9.1.4. Образование дендритов....................................................................................... 176 9.1.5. Коррозия .............................................................................................................. 177 9.1.6. Воздействие плесневого грибка .......................................................................... 177 9.2. Характеристики материалов влагозащитных покрытий.................................... 178 9.2.1. Жизнеспособность смеси .................................................................................... 178 9.2.2. Срок хранения ..................................................................................................... 179 9.2.3. Вязкость ............................................................................................................... 179 9.2.4. Содержание твердой составляющей................................................................... 179 9.2.5. Отверждение ........................................................................................................ 179 9.2.6. Температура отверждения .................................................................................. 179 9.2.7. Электрические свойства ...................................................................................... 180 9.2.8. Влагопроницаемость / влагопоглощение ........................................................... 180 9.2.9. Химическая совместимость и химическая стойкость ........................................ 180 9.2.10. Механическая стойкость ..................................................................................... 181 9.2.11. Ремонтопригодность ........................................................................................... 181 9.2.12. Термоустойчивость ............................................................................................. 181 9.2.13. Устойчивость к грибкам ..................................................................................... 181 9.3. Технологические материалы............................................................................... 181 9.3.1. Акриловые покрытия .......................................................................................... 181 9.3.2. Полиуретан .......................................................................................................... 182 9.3.3. Покрытия на основе эпоксидных смол............................................................... 182 9.3.4. Силиконовые влагозащитные покрытия ............................................................ 182 9.3.5. Параксилилен ...................................................................................................... 184 9.4. Методы нанесения влагозащитных покрытий ................................................... 185 9.4.1. Погружение ......................................................................................................... 185 9.4.2. Селективное автоматизированное нанесение .................................................... 186 9.4.3. Распыление .......................................................................................................... 186 9.4.4. Автоматическое распыление .............................................................................. 187 9.4.5. Ручное распыление.............................................................................................. 187 9.4.6. Аэрозольное распыление .................................................................................... 188 9.4.7. Нанесение покрытия кистью............................................................................... 188 9.4.8. Нанесение покрытий в несколько слоев............................................................. 188 9.5. Литература ........................................................................................................... 189 10. Визуальный контроль .................................................................................................. 190 10.1. Введение .............................................................................................................. 190 10.2. Методы визуального контроля ........................................................................... 190 10.3. Технологические операции, где необходимо применение визуального контроля............................................................................................................... 193 10.4. Возможности и погрешности визуального контроля......................................... 194 10.5. Технологическое оборудование, предлагаемое ОСТЕК .................................... 195 10.5.1. Визуальный контроль.......................................................................................... 196 10.5.2. Визуальный контроль и бесконтактные измерения ........................................... 215 5 11. Автоматическая оптическая инспекция ................................................................... 221 11.1. Введение .............................................................................................................. 221 11.2. Место системы АОИ в линии поверхностного монтажа ................................... 221 11.3. Классификация систем АОИ............................................................................... 222 11.3.1. Системы АОИ сканерного типа .......................................................................... 222 11.3.2. Системы АОИ с камерами .................................................................................. 223 11.4. Способы обнаружения и классификации дефектов ........................................... 225 11.4.1. “Золотая плата” (“golden board”) ........................................................................ 225 11.4.2. Измерение пороговых значений ......................................................................... 226 11.4.3. Стандартное сравнение с шаблоном и статистическое сравнение с шаблоном 226 11.4.4. Интеллектуальные технологии ........................................................................... 227 11.5. Работа с ремонтной станцией ............................................................................. 233 11.6. Показатели эффективности систем АОИ ........................................................... 234 11.7. Литература ........................................................................................................... 235 12. Приложение 1. Упаковки компонентов ..................................................................... 236 12.1. Типы упаковок..................................................................................................... 236 12.1.1. Упаковка в ленту ................................................................................................. 236 12.1.2. Упаковка в пенал ................................................................................................. 237 12.1.3. Упаковка в матричный поддон ........................................................................... 237 12.2. Чип-компоненты.................................................................................................. 237 12.2.1. Керамические чип-конденсаторы ....................................................................... 237 12.2.2. Танталовые конденсаторы .................................................................................. 238 12.2.3. Алюминиевые конденсаторы.............................................................................. 238 12.2.4. Чип-резисторы ..................................................................................................... 239 12.2.5. MELF-резисторы ................................................................................................. 239 12.2.6. Чип-индуктивности ............................................................................................. 240 12.3. Дискретные полупроводниковые компоненты .................................................. 240 12.3.1. Транзисторы в корпусах SOT ............................................................................. 240 12.3.2. Диоды................................................................................................................... 241 12.3.3. Мощные устройства в корпусах DPAK .............................................................. 242 12.4. Интегральные схемы ........................................................................................... 243 12.4.1. PLCC .................................................................................................................... 243 12.4.2. LCC ...................................................................................................................... 243 12.4.3. SO ......................................................................................................................... 244 12.4.4. SOJ ....................................................................................................................... 244 12.4.5. MSOP ................................................................................................................... 245 12.4.6. SSOP..................................................................................................................... 245 12.4.7. TSSOP .................................................................................................................. 246 12.4.8. TSOP .................................................................................................................... 246 12.4.9. QFP ....................................................................................................................... 247 12.4.10. CERQUAD и CLCC ....................................................................................... 251 12.4.11. Flip chip .......................................................................................................... 252 12.4.12. BGA, CSP ....................................................................................................... 252 6 1. Трафаретная печать 1.1. Введение 1.1.1. Общие вопросы Целью операции трафаретной печати является нанесение заданного количества паяльной пасты на контактные площадки с определенной точностью и контролируемой повторяемостью. Получающиеся в результате пайки оплавлением паяные соединения обеспечивают электрический контакт компонентов с ПП. С развитием технологии трафаретной печати до уровня, позволяющего наносить пасту на контактные площадки под компоненты с малым шагом выводов, необходимо понимать, какие параметры влияют на результат и как ими управлять. Нанесение пасты на контактные площадки под компоненты с малым шагом выводов предъявляет более жесткие требования к процессу. Считается, что малым шагом выводов компонентов является шаг 0,65 мм и менее. Однако в современном производстве наметилась тенденция считать малым шаг выводов 0,5 мм и менее. При шаге, превышающем данное значение, совмещение трафарета с ПП и нанесение пасты может производиться без использования систем технического зрения (СТЗ). При шаге выводов, не превышающем 0,65 мм, нанесение пасты предъявляет более жесткие требования, и настоятельно рекомендуется применять СТЗ. В данном разделе описываются фундаментальные принципы трафаретной печати как технологической операции сборочно-монтажных работ. Качество нанесения пасты имеет существенное влияние как на установку компонентов, так и на пайку. На Рис. 1.1 схематически показана последовательность действий во время трафаретной печати. Паяльная паста продавливается ракелем через отверстия (апертуры) металлического трафарета на ПП. Наиболее важными шагами являются движение пасты перед ракелем, затекание пасты в отверстия, выравнивание отпечатков и разделение трафарета с ПП. a) Загрузка ПП б) Прижим ракеля в) Нанесение паяльной пасты г) Поднятие ракеля, разделение трафарета с ПП д) Загрузка следующей ПП е) Прижим ракеля 7 ж) Нанесение паяльной пасты з) Поднятие ракеля, разделение трафарета с ПП Рис. 1.1. Процесс трафаретной печати На этапе трафаретной печати возникает значительная доля дефектов, нередко превышая 60% от всех дефектов после пайки. Однако, когда технологические требования к материалам, конструкции и оборудованию соблюдены (то есть процесс хорошо управляем), доля дефектов, возникающих во время операции трафаретной печати, может быть менее трети при суммарном уровне дефектов 100 ppm. В целом, качество трафаретной печати определяется пятью группами факторов, которые приведены на Рис. 1.2. Оборудование Технологические параметры Скорость движения ракеля Автомат Усилие Зазор между трафаретом и ПП трафаретной Ракели печати Угол наклона ракеля Трафарет Очистка трафарета Качество трафаретной Бумага для Жидкость для печати Влажность Обучение очистки очистки Температура Полномочия трафаретов трафаретов Компетентность Паяльная паста Материалы Окружающая среда Персонал Рис. 1.2. Факторы, влияющие на качество трафаретной печати 1.1.2. Необходимое количество паяльной пасты Качество паяных соединений описано в стандартах IPC, которые устанавливают требования к форме галтели, подразумевая определенное количество припоя. Однако количество припоя, требуемое для образования качественного соединения, зависит от формы выводов, размеров контактных площадок, компланарности выводов, коробления ПП, смачиваемости и т.д. Многие из этих факторов обычно игнорируются на практике, и рекомендуемое количество пасты задается исходя из размеров контактной площадки. Припой наносится на ПП в виде пасты и, следовательно, масса наносимого припоя определяется объемом пасты. Количество паяльной пасты должно лежать в определенных пределах. Верхний предел определяется образованием перемычек и шариков припоя в процессе пайки, нижний – слишком тонким слоем припоя в паяном соединении или необходимостью удержания компонентов во время технологических операций, следующих за трафаретной печатью. Таким образом, надежность и технологичность играют здесь важную роль. В общем, технологические пределы (возможно ли создать соединение?) при применении компонентов с малым шагом выводов до 0,3 мм могут быть более строгими, чем предел надежности (качественное ли соединение?). Это проиллюстрировано на Рис. 1.3. 8 Количество дефектов Дефекты, вызванные некомпланарностью выводов компонентов Идеальное окно процесса Технологическое окно Перемычки Количество пасты Отсутствие контакта Рис. 1.3. Зависимость количества дефектов от количества пасты Масса припоя, необходимого для создания надежного соединения, различна для разных компонентов, зависит от размеров и формы выводов. Поэтому для заданной паяльной пасты наносимый объем должен адаптироваться под каждый компонент. При трафаретной печати это достигается путем подбора размеров отверстий трафарета: длины, ширины, высоты. Для определения необходимого количества паяльной пасты также использовались размеры контактных площадок. Расчет массы и объема припоя может быть произведен по следующей формуле: M = VH пр ρ пр , где M – масса припоя, V – объем пасты, H пр – объемная доля припоя в пасте (примерно 50%, что составляет 89% по массе), ρ пр – плотность припоя (около 8,5 мг/мм3). Количество паяльной пасты на 1 мм2 контактной площадки может быть рассчитан так: Vρ п , O где A – необходимое количество паяльной пасты, мг/мм2, V – объем отверстия трафарета, мм3, ρ п – плотность пасты, мг/мм3, O – площадь поверхности контактной площадки, мм2. В Табл. 1.1 приведены значения для некоторых типов компонентов. Помимо формы и объема отпечатков пасты третий фактор влияет на процесс. Этот фактор – расположение отпечатка пасты относительно контактной площадки. В идеале, отпечатки паяльной пасты должны быть полностью совмещены с контактными площадками и не смещаться с них во время дальнейших технологических операций, чтобы не происходило образование перемычек и шариков припоя. Но из-за свойств материалов, из которых изготовлена ПП, трафарета и автомата трафаретной печати, а также допусков на параметры процесса, это не всегда может быть достигнуто. Наиболее критичный компонент, присутствующий в изделии, определяет точность процесса нанесения пасты. A= Необходимое количество пасты, мг/мм2 Чип-резисторы, чип0,7 конденсаторы 0402 и 0603 Чип-резисторы, чип0,7 конденсаторы 0805 и 1206 Тип компонента 9 Требуемая точность нанесения отпечатков, мкм ±100 ±200 Мелкие транзисторы и диоды SSOP, QFP, шаг выводов 0,65 мм TSOP, QFP, шаг выводов 0,5 мм QFP, шаг выводов 0,4 мм 0,7 ±200 0,6 ±100 0,4 ±50 0,35 ±50 Табл. 1.1. Количество паяльной пасты и требуемая точность нанесения отпечатков для различных компонентов Значения, приведенные в Табл. 1.1, включают в себя все отклонения и являются максимально допустимыми. Если требования к объему пасты, положению отпечатков пасты и их форме выполнены, то процесс нанесения пасты будет бездефектным. 1.2. Пасты. Состав. Классификация. Правила работы с пастами Паяльная паста представляет собой массу, состоящую из смеси порошкообразного припоя с частицами, обычно сферической формы, и флюса-связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц порошкообразного припоя и типа флюса. К паяльным пастам предъявляются следующие требования: • высокое качество паяных соединений, без разбрызгивания и образования сопутствующих шариков припоя; • хорошие клеящие свойства для удержания компонентов до пайки; • высокая стойкость к растеканию при предварительном нагреве; • минимальное количество легко удаляемых остатков флюса после пайки; • возможность нанесения методом трафаретной печати или дозированием; • длительное хранение без изменения свойств. Тип частиц припоя Тип 1 Тип 2 Тип 3 Тип 4 Тип 5 Тип 6 Не более 1% частиц с размерами, мкм 150 75 45 45 25 15 Диаметр частиц Не более 10% частиц припоя, мкм с размерами, мкм 150-75 20 75-45 20 45-25 20 38-20 20 25-15 15 15-5 5 Табл. 1.2. Классификация паст по размеру частиц припоя Паяльные пасты можно классифицировать по размеру частиц припоя в соответствии со стандартом IPC/EIA J-STD-005 (см. Табл. 1.2). При выборе паст с малым размером частиц следует помнить, что такая паста будет легко наноситься даже через маленькие отверстия трафарета, однако процесс пайки может сопровождаться образованием шариков припоя. Реология паст довольно сложна. Паяльные пасты – неньютоновские жидкости с высокой тиксотропностью, вязкость которых зависит от коэффициента сдвига. Вязкость пасты выше при меньшем коэффициенте сдвига и ниже – при большем. Чем меньше вязкость, тем больше паста напоминает жидкость. Паяльная паста должна легко проникать через отверстия трафарета и перемещаться по поверхности трафарета, но отпечатки на ПП должны сохранять форму. С точки зрения нанесения пасты, предпочтительна средняя и высокая вязкость. Паста с низкой вязкостью (500 тыс. сП) склонна к расслаиванию, паста с очень высокой вязкостью (1400 тыс. сП) может 10 закупорить отверстия трафарета или даже вовсе не проникнуть в них. Как правило, рекомендуется к применению паста с вязкостью 700-900 тыс. сП. 1.2.1. Состав и классификация Состав паяльных паст оговорен в следующих стандартах: • IPC/EIA J-STD-004 “Требования к флюсам для пайки”; • IPC/EIA J-STD-005 “Требования к паяльным пастам”; • IPC/EIA J-STD-006 “Требования к сплавам припоя с флюсом и без флюса, применяемым в пайке электроники”. Для трафаретной печати следует использовать пасту с содержанием припоя 89-91% по весу. Для дозирования используется паста с содержанием припоя не более 85% по весу (см. Рис. 1.4). Рис. 1.4. Процентное соотношение припоя и флюса в составе паяльной пасты Припой. В настоящее время в производстве электроники находят применение несколько основных типов припоя: традиционные, для предотвращения эффекта “надгробного камня”, бессвинцовые. Традиционные припои – это, главным образом, оловянно-свинцовые эвтектические припои или близкие к ним (см. Табл. 1.3). Для технологии поверхностного монтажа рекомендуется применять паяльные пасты на основе припоя Sn62/Pb32/Ag2. Серебро добавляется для предотвращения миграции серебра, используемого при производстве чипкомпонентов, в припой и для повышения прочности паяного соединения. Тип сплава по J-STD-006 Состав припоя Температура плавления, °C Sn62 Sn62/Pb36/Ag2 179 Sn63 Sn63/Pb37 183 Табл. 1.3. Традиционные припои Один из методов борьбы с эффектом “надгробного камня” основан на применении новых типов паяльных паст со специальным припоем типа 63S4 (Sn62,5/Pb36,5/Ag1). Сплав 63S4 получается путем смешивания частиц припоя с разными размерами (типа 3 и типа 5 по стандарту J-STD-005) и разными сплавами Sn62 и Sn63. Частицы меньшего диаметра с более низкой температурой плавления (179°C) расплавляются быстрее, чем более крупные частицы сплава Sn63 (183°C), в этом случае изменение сил поверхностного натяжения происходит медленнее и равномернее, чем у эвтектических припоев. В результате испытаний было установлено, что количество дефектов типа “надгробного камня” в таком случае сокращается в десятки раз по сравнению с традиционными припоями. Бессвинцовые припои призваны заменить свинцовосодержащие, так как решением европейской комиссии по законодательству запрещено использование свинца в производстве электроники с 01.07.2006. Припой Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 с температурой 11 плавления 217°C позволяют заменить традиционный припой Sn62/Pb32/Ag2 по электрическим и механическим параметрам. Бессвинцовые сплавы обладают высокой прочностью по сравнению со сплавами олово-свинец, более высокой устойчивостью к термоциклированию и рекомендуются для пайки компонентов с разными тепловыми коэффициентами линейного расширения. Пасты на основе бессвинцовых припоев по объемному составу не отличаются от свинцовосодержащих. Однако поскольку плотность бессвинцовых припоев меньше, по весовому составу бессвинцовые пасты, предназначенные для трафаретной печати, будут содержать порядка 88% металлической составляющей. Главными недостатками этих сплавов являются матовость паяных соединений, высокая цена вследствие большого содержания олова и серебра и высокая температура плавления, требующая увеличения температуры пайки до 245-260°C. (Бессвинцовые припои подробно рассмотрены в разделе “Пайка оплавлением”.) Флюс. В состав флюса входят: растворитель, канифоль/смола, активаторы, корректировщики реологии и другие вещества (см. Рис. 1.5). Рис. 1.5. Компоненты флюса Флюс в составе пасты выполняет следующие функции: образует однородную структуру с припоем; обеспечивает необходимые реологические свойства паяльной пасты; способствует сохранению формы отпечатков пасты; обеспечивает клеящие свойства паяльной пасты для фиксации компонентов после их установки; • удаляет оксиды с поверхностей, подлежащих пайке, и частиц припоя; • создает защитную пленку для предотвращения повторного окисления в процессе пайки; • содействует самоцентрированию компонентов в процессе пайки; • содействует передаче тепла при пайке. В соответствии с международным стандартом IPC/EIA J-STD-004 флюсы классифицируются по основе химического состава на 3 группы (см. Табл. 1.4). В каждую группу входит по шесть типов флюса, отличающихся уровнем активности. Тип флюса обозначается четырехзначным буквенно-цифровым кодом. Первые две буквы этого кода несут информацию о веществе, лежащем в основе флюса: RO (Rosin) – канифоль, RE (Resin) – синтетические смолы, OR (Organic) – органические кислоты. Третья буква свидетельствует об уровне активности флюса: L (Low) – низкий, M (Middle) – средний, H (High) – высокий. • • • • 12 На канифольной основе Флюсы, не требующие отмывки Флюсы, содержащие галогены На синтетической основе Водосмываемые флюсы Флюсы, не содержащие галогены Рис. 1.6. Основные типы флюсов Основа флюса Канифоль Rosin (RO) Синтетические смолы Resin (RE) Органические кислоты Organic (OR) Уровень активности флюса (% содержание галогенов) Низкий (0%) Низкий (<0,5%) Средний (0%) Средний (0,5-2,0%) Высокий (0%) Высокий (>2,0%) Низкий (0%) Низкий (<0,5%) Средний (0%) Средний (0,5-2,0%) Высокий (0%) Высокий (>2,0%) Низкий (0%) Низкий (<0,5%) Средний (0%) Средний (0,5-2,0%) Высокий (0%) Высокий (>2,0%) Тип флюса по IPC/EIA J-STD-004 ROL0 ROL1 ROM0 ROM1 ROH0 ROH1 REL0 REL1 REM0 REM1 REH0 REH1 ORL0 ORL1 ORM0 ORM1 ORH0 ORH1 Табл. 1.4. Классификация флюсов по стандарту IPC/EIA J-STD-004 По одному из старейших, но по-прежнему действующему американскому федеральному стандарту QQ-S-571E флюсы классифицируются по активности на следующие типы: • R (Rosin) – канифольный флюс, в состав которого входит лишь канифоль, из-за чего он обладает очень низкой флюсующей активностью; • RMA (Rosin Middle Activated) – канифольный среднеактивированный флюс, состоящий из канифоли и таких активаторов, как амины, хлористые амины, органические кислоты; • RA (Rosin Activated) – канифольный активный флюс, включающий в себя канифоль и такие активаторы, как полярные соли аминов, галогены, органические кислоты; • OA (Organic Activated) – органический активный, в основе которого лежат галогены и органические кислоты. Уровень активности флюса свидетельствует о коррозионных и проводящих свойствах остатков флюса после пайки и необходимости их удаления. Удаление остатков флюсов на основе чистой канифоли (R) и слабо активированных флюсов (RMA, ROL0, RЕL0), как правило, не требуется. Остатки средне активированных флюсов (RA, ROН0, 13 ROН1, RЕН0, RЕН1) обычно необходимо удалять с помощью специальных растворителей. Остатки органических флюсов (OA, OR) подлежат обязательной отмывке в воде. 1.2.2. Правила работы с пастами Хранение. Хранение паяльной пасты, если она не будет использована в ближайшее время, рекомендуется осуществлять в холодильнике при температуре от +5°C до +10°C, при этом срок хранения паяльной пасты составляет до 6 месяцев с даты производства. Следует избегать температуры хранения ниже +5°C и выше +30°C. Хранение в рекомендуемых условиях увеличивает срок жизни паяльной пасты. При этом следует плотно закрывать банки с пастой и использовать специальные герметизирующие вставки для уменьшения контакта с воздухом, а шприцы и SEMCO картриджи хранить в вертикальном положении носиком в низ. Транспортировка. При транспортировке следует придерживаться рекомендуемых режимов хранения. А также необходимо избегать вибраций, ударов, прямого теплового воздействия или замораживания упаковок с паяльной пастой. Подготовка к применению и порядок применения пасты в банках. Необходимо выдержать пасту при комнатной температуре в течение 6-8-ми часов перед началом использования. При этом категорически не рекомендуется открывать холодную банку или использовать нагревательные приборы. Затем необходимо тщательно перемешать пасту в банке шпателем в течение 1 мин, открывать банку с пастой следует на короткое время. Рекомендуется использовать пасту при комнатной температуре 18-25°С и влажности 2060%, однако предпочтительные условия применения +20°С при относительной влажности 40%. Вынимать из банки следует только необходимое для работы количество пасты. Если оставшаяся в банке паста не будет использована в течение 2-3-х дней, ее следует поместить в холодильник. Паяльную пасту, не использованную в течение рабочей смены, не рекомендуется смешивать со свежей. Остатки пасты можно складывать в отдельную тару и использовать в начале следующей смены, но не позднее, чем через 24 часа. Не рекомендуется использовать пасту, которая находилась на трафарете в течение всей рабочей смены. Если устройство трафаретной печати не использовалось более 4-х часов, рекомендуется произвести очистку трафарета от остатков паяльной пасты перед продолжением работы. По мере возможности вскрытую упаковку рекомендуется использовать в течение двух недель. Подготовка к применению пасты в SEMCO картриджах. Выдержать пасту при комнатной температуре в течение 6-8-ми часов перед началом использования. Паяльная паста для автоматов трафаретной печати в SEMCO картриджах специально разработана с целью уменьшения разделения флюсующей и металлической составляющих, полностью готова к применению и не требует специальной подготовки перед началом использования Подготовка к применению пасты в шприцах для нанесения дозированием. Необходимо выдержать пасту при комнатной температуре в течение не менее 2-х часов перед началом использования. Паяльная паста в шприцах не требует дополнительного перемешивания перед началом использования. Однако при длительном или неправильном хранении возможно частичное разделение флюсующей и металлической составляющей, поэтому перед началом использования рекомендуется произвести пробное нанесение паяльной пасты. 1.3. Виды трафаретов. Технология изготовления трафаретов Даже относительно несложные ПУ содержат более сотни различных компонентов и, как правило, свыше 1000 паяных соединений (контактных площадок). Известно, что до 60% дефектов, выявляемых после пайки, появляются на этапе нанесения паяльной пасты. 14 В свою очередь, результаты трафаретной печати в значительной степени зависят от правильной конструкции и качества изготовления трафаретов. Как правильно выбрать толщину или размеры отверстий трафарета, из каких материалов и каким методом можно изготавливать трафареты? Эти и другие вопросы рассмотрены ниже на основании практического опыта и авторитетных зарубежных источников информации, в том числе международного стандарта IPC-7525 “Руководство по конструированию трафаретов” (Stencil Design Guidelines). 1.3.1. Основные материалы и методы изготовления трафаретов В настоящее время для нанесения паяльной пасты используются трафареты, изготовленные из металлической фольги. При изготовлении трафаретов наиболее часто используются следующие материалы: нержавеющая сталь, никель, медь, латунь или бериллиевая бронза. Существует три основных метода изготовления трафаретов: • метод химического травления; • метод лазерной резки; • метод гальванопластики. Метод химического травления. Изготовление трафаретов химическим травлением, применяется достаточно часто, т.к. используется стандартная технология с невысокими затратами на изготовление. Для изготовления трафаретов используются зеркальные фотошаблоны, и производится двустороннее травление (см. Рис. 1.7). Возникновение бокового растрава в процессе травления ограничивает возможность нанесения паяльной пасты на контактные площадки компонентов с малым шагом (меньше 0,65 мм). Электрохимическая обработка стенок отверстий позволяет сделать их более ровными, при этом минимальный размер отверстия трафарета составляет 0,1 мм + 50% толщины трафарета. отверстие трафарет Рис. 1.7. Сечение трафарета, изготовленного методом химического травления. Боковой растрав Метод лазерной резки. Метод лазерной резки позволяет получить точный рисунок с практически любым шагом, но имеет более высокую стоимость изготовления. Трафареты изготавливаются из нержавеющей стали. Луч лазера Формирование отверстия в трафарете Рис. 1.8. Изготовление трафарета лазерной резкой 15 сторона контакта с ракелем трафарет сторона контакта с ПП Рис. 1.9. Трафарет после изготовления Для улучшения качества нанесения паяльной пасты, особенно под компоненты с малым шагом, необходимо произвести обработку поверхности трафарета для удаления заусенцев после лазерной резки и обработку отверстий для лучшего прохождения паяльной пасты. Для уменьшения вероятности размазывания паяльной пасты по поверхности трафарета рекомендуется подвергать трафарет дополнительной обработке, делая более шероховатой сторону, контактирующую с ракелем, для того, чтобы паяльная паста катилась по трафарету в виде валика. Метод лазерной резки дает возможность формирования реперных знаков на половину толщины трафарета, резки пазов и выемок, поэтому применение лазерной резки в сочетании с методом химического травления позволяет изготавливать гибридные трафареты. Гибридные трафареты применяются для нанесения разного количества пасты, например, для стандартных компонентов и под компоненты с малым шагом (см. Рис. 1.10), а также для нанесения пасты в отверстия для монтажа штырьковых компонентов на паяльную пасту. 2,54 мм 100 мкм 125 мкм Рис. 1.10. Гибридный трафарет Минимальный размер отверстий трафарета может быть равен толщине трафарета. Метод гальванопластики. Данный метод позволяет получить очень точный рисунок отверстий трафарета, уменьшить вероятность образования перемычек и загрязнения трафарета с нижней стороны в процессе работы. Основной материал при изготовлении трафаретов – никель. Однако из-за очень высокой стоимости изготовления метод гальванопластики не получил широкого распространения в нашей стране. 1.3.2. Общие рекомендации по выбору толщины и размеров отверстий трафарета На толщину трафарета и конструкцию отверстий оказывают влияние различные факторы, в том числе: тип электронных компонентов, размеры контактных площадок, тип паяльной пасты и другие факторы. Правило трех шариков является простой формулой для определения толщины и минимальной ширины отверстий трафарета в зависимости от размеров частиц припоя входящих в состав паяльной пасты. Правило трех шариков гласит: максимальная толщина трафарета должна быть близка трем максимальным диаметрам частиц припоя, входящих в состав паяльной пасты. Минимальная ширина отверстия трафарета тоже должна быть равна трем максимальным диаметрам шариков припоя. Однако с точки зрения обеспечения высокой надежности паяных соединений, хорошей и стабильной формы отпечатков паяльной пасты в независимости от метода изготовления трафарета предпочтительная ширина отверстий трафарета должна быть не меньше пяти диаметров частиц припоя (см. Рис. 1.11). 16 Рис. 1.11. Предпочтительная минимальная ширина отверстия трафарета равна 5 шарикам припоя Таким образом, для большинства применений рекомендуется использовать трафареты толщиной 125-200 мкм. Трафареты толщиной меньше 100 мкм применять не рекомендуется, т.к. они легко деформируются при многократном проходе ракеля. Одно из основных правил конструирования отверстий трафарета заключается в том, что размер отверстий должен быть уменьшен по сравнению с размерами контактных площадок. Уменьшение размера отверстий трафарета или даже изменение геометрической формы вызваны необходимостью улучшения результатов нанесения паяльной пасты, пайки и очистки трафарета. Уменьшение размеров отверстий трафарета снижает вероятность неточного совмещения и нанесения пасты на контактные площадки без образования шариков и перемычек припоя в процессе пайки. Рекомендуемый размер отверстий трафарета составляет 75-90% от размера контактной площадки. Общее правило для интегральных микросхем: размер отверстий трафарета должен быть на 0,1 мм меньше размера контактных площадок, но не меньше ½ шага выводов компонента. 0,1 – 0,2 L L 1/2 W 1/2 W W Контактная площадка 1/2 W W Отпечаток паяльной пасты Рис. 1.12. Конструкция отверстий трафарета для предотвращения образования шариков припоя Для снижения вероятности образования шариков припоя за счет выдавливания паяльной пасты за пределы контактных площадок при установке чип-компонентов может использоваться специальная конструкция отверстий трафарета (см. Рис. 1.12). Эти рекомендации основаны на требованиях международного стандарта IPC-7525 “Руководство по конструированию трафаретов”. С целью предотвращения вычерпывания паяльной пасты при нанесении на большие контактные площадки рекомендуется поделить большие отверстия трафарета на несколько с меньшими размерами: 2,0х2,0 мм максимум (см. Рис. 1.13). 0,05 мм 0,2 мм Рис. 1.13. Уменьшенные отверстия трафарета для крупных контактных площадок 17 Влияние конструкции трафарета на заполнение паяльной пастой контактных площадок. Количество паяльной пасты, которое наносится на контактные площадки, определяется размером отверстий трафарета и толщиной фольги трафарета. Паяльная паста должна полностью заполнять поверхность контактных площадок после разделения трафарета с ПП. С точки зрения конструкции трафарета существует вероятность неполного заполнения поверхности контактных площадок за счет прилипания паяльной пасты к стенкам трафарета. На это оказывают влияние три фактора: 1. Соотношение между площадью стенок трафарета и контактной площадкой. Общее правило для обеспечения качественного нанесения паяльной пасты: отношение ширины отверстия (L) трафарета к толщине (e) должно составлять не менее 1,5 (см. Рис. 1.14), а отношение площади контактной площадки к площади стенок отверстия трафарета не менее 0,66. Если площадь контактных площадок больше чем 66% площади стенок трафарета, то можно гарантировать полное нанесение паяльной пасты на контактные площадки. Рис. 1.14. Соотношение между площадью стенок трафарета и контактной площадкой 2. Форма стенок отверстий трафарета. Для уменьшения прилипания паяльной пасты к стенкам трафарета рекомендуется делать углы отверстий в трафарете скругленными (см. Рис. 1.15). Рис. 1.15. Скругленные углы отверстий трафарета 3. Финишная обработка стенок трафарета. Как уже отмечалось, обработка отверстий после изготовления трафарета улучшает результаты трафаретной печати. Срок службы трафаретов. В зависимости от материалов трафарета и ракеля срок жизни трафаретов может составлять от 10000 до 50000 проходов ракеля (металлические ракели приводят к большему износу трафаретов). По некоторым данным срок жизни трафаретов из нержавеющей стали, может составлять до 300000 проходов ракеля, однако длительное использование трафаретов приводит к деформации, уменьшению их толщины и стиранию реперных знаков. 1.3.3. Трафареты для смешанной технологии Хотя переход от штырьковых компонентов к ПМИ происходил повсеместно, все еще остались ПУ, содержащие как ПМИ, так и компоненты, монтируемые в отверстия. Существует большая заинтересованность в установке и пайке оплавлением штырьковых компонентов вместе с ПМИ. Это предъявляет особые требования к процессу нанесения пасты. Трафарет должен обеспечить нанесения объема пасты, достаточного для заполнения отверстия и образования качественной галтели с верхней и нижней стороны ПП. Этот объем можно рассчитать по следующей формуле: ( Ah − A p )Tb + Ft + Fb V = LoWoTs = +Vp , S где V – требуемый объем паяльной пасты, V p – объем припоя, остающийся на верхней и/или нижней контактных площадках, 18 S – количество припоя в пасте, %, Ah – площадь сечения отверстия перпендикулярного оси вывода, Ap – площадь сечения вывода в отверстии перпендикулярного оси вывода, Tb – толщина ПП, Ft , Fb – требуемый объем галтели сверху и снизу, Ts – толщина трафарета, Lo – длина отверстия трафарета, Wo – ширина отверстия трафарета. Вид сверху Вид в сечении Lo Ft Вывод компонента Wo Отверстие в плате Tb Контактная площадка Fb Отверстие в трафарете Рис. 1.16. Вид сверху и вид в сечении Три варианта конструкции трафарета удовлетворяют вышеуказанным требованиям: 1. трафареты фиксированной толщины с увеличенными отверстиями; 2. ступенчатые трафареты с увеличенными отверстиями; 3. трафареты для нанесения пасты в два прохода. Трафареты фиксированной толщины с увеличенными отверстиями. Размеры отверстий трафарета, предназначенных для нанесения пасты под штырьковые компоненты, увеличены. Это позволяет наносить паяльную пасту в отверстие ПП, на контактную площадку и на окружающую паяльную маску. Во время пайки оплавлением припой стягивается обратно с паяльной маски для заполнения отверстия и формирования верхней и нижней галтелей. Требуемая избыточная область ( WO × LO ) может быть рассчитана по приведенной выше формуле. Ступенчатые трафареты с увеличенными отверстиями. Некоторые ПУ со штырьковыми компонентами имеют слишком высокую плотность монтажа, не позволяющую нанести достаточное количество пасты через трафарет фиксированной толщины. Так как отверстия трафарета не могут быть больше увеличены, единственный способ обеспечить нанесение большего объема пасты – это повысить толщину трафарета. Как правило, это означает, что необходимо использовать ступенчатый трафарет, особенно в случае наличия на ПП ПМИ с малым шагом выводов. Если используется металлический ракель, необходимо обеспечить зазор 3 мм, чтобы позволить ракелю повторять изменение высоты. Имеются данные, свидетельствующие об успешном применении трафаретов со “ступеньками” со стороны ракелей или со стороны ПП. Трафареты для нанесения пасты в два этапа. Некоторые ПУ имеют штырьковые компоненты с малыми размерами выводов и большими отверстиями или высокую плотность монтажа с большой толщиной ПП. В любом случае, первые два типа трафаретов не позволяют нанести достаточное количество пасты. Трафареты для нанесения пасты в два прохода предоставляют возможность нанесения большого количества пасты в отверстия. В данном методе обычный трафарет толщиной 150 мкм используются для нанесения пасты на контактные площадки под ПМИ. Сразу после этого через трафарет большой толщины происходит нанесение пасты под штырьковые компоненты. Толщина 19 трафарета может быть настолько велика, насколько требуется, но типичное значение лежит в пределах 400-760 мкм. Когда толщина превышает 500 мкм, трафареты, изготовленные методом лазерной резки, обеспечивают лучшее отделение отпечатков пасты от трафарета и более качественное нанесение пасты в целом благодаря превосходной поверхности стенок отверстий. Со стороны трафарета, контактирующей с ПП, вытравливаются полости глубиной не менее 250 мкм в областях, в которых предварительно нанесена паста на контактные площадки под ПМИ. Рис. 1.17. Трафарет для нанесения пасты в два прохода 1.3.4. Трафареты для ПМИ / flip chip В последнее время повысился интерес к использованию flip chip в ПУ как на стандартных, так и на гибких ПП. Область применения таких ПУ включает в себя автомобильную промышленность, телекоммуникации, ЖК-дисплеи и карты PCMCIA (карты памяти для ПК). Наиболее высок потенциал роста применения flip chip в картах PCMCIA. Использование технологии flip chip в многокристальных модулях и компонентах BGA и CSP ощутимо возрастет. Область применения трафаретной печати для компонентов flip chip можно разделить на нанесение пасты на ПП и нанесение пасты на кристаллы. Bump Stencil Figure 3 - Board Bumping Stencil ( 5 mil apertures, 12 mil pitch, 2 mil thick) Рис. 1.18. Трафарет для нанесения пасты на контактные площадки под flip chip (размер отверстий 0,127 мм, шаг отверстий 0,3 мм, толщина трафарета 50 мкм) Рассмотрим нанесение пасты на ПП на примере карты PCMCIA, на которой имеются компоненты flip chip, TSOP и чип. Желательно установить flip chip и другие ПМИ на ПП и одновременно запаять все компоненты оплавлением. Трафареты для нанесения пасты в два этапа могут использоваться и в данном случае. На первом этапе происходит нанесение пасты на контактные площадки под flip chip. Трафарет для 20 нанесения пасты на контактные площадки под flip chip с размером отверстий 0,127 мм и шагом отверстий 0,3 мм изображен на Рис. 1.18. Трафарет изготовлен методом химического травления, стенки отверстий подвергнуты электрохимической обработке и имеют трапецеидальную форму с 6-микронным сужением каждой стороны. На втором этапе паста через трафарет наносится на контактные площадки под остальные ПМИ. Для этого используется трафарет толщиной 180 мкм с полостями со стороны ПП глубиной 90 мкм. Полости в трафарете обеспечивают зазор, предотвращающий размазывание отпечатков пасты на контактных площадках под flip chip. После вышеописанного нанесения пасты через трафарет в два этапа происходит установка компонентов на плату PCMCIA и пайка оплавлением. Трафарет для нанесения пасты на контактные площадки под остальные ПМИ изображен на Рис. 1.19. Когда размеры кристалла компонента flip chip превышают 5х5 мм, в полостях трафарета вытравливаются поддерживающие столбики для того, чтобы избежать прогибов трафарета в областях контактных площадок под flip chip и размазывания отпечатков пасты. Эти поддерживающие столбики располагаются между отпечатками пасты. Рис. 1.19. Трафареты для нанесения пасты в два прохода (снизу трафарет для нанесения пасты на контактные площадки под flip chip, сверху – под остальные ПМИ) Некоторые преимущества использования трафаретов для нанесения пасты в два прохода в случае наличия в изделии flip chip и других ПМИ таковы: • так как используются различные трафареты, есть возможность раздельной оптимизации процессов нанесения пасты на контактные площадки под flip chip и другие ПМИ; • поскольку операции нанесения пасты раздельны, возможно нанесение различных типов пасты на контактные площадки под flip chip и под остальные ПМИ. Также возможно использование flip chip с полимерными выводами и нанесение токопроводящего полимера на контактные площадки под flip chip с последующим нанесением пасты на контактные площадки под остальные ПМИ. 1.3.5. Трафареты для кристаллов Повышенный интерес к компонентам flip chip инициировал заинтересованность в рассмотрении альтернативных методов формирования выводов на поверхности кристаллов. Традиционно, выводы на поверхности кристаллов изготавливали по технологии C4 (Controlled Collapse Chip Connection), разработанной IBM более четверти столетия тому назад. В конце XX в. были получены металлические и полимерные выводы на поверхности кристаллов методом трафаретной печати. Трафарет для формирования 21 выводов кристаллов показан на Рис. 1.20. На Рис. 1.21 показаны выводы из токопроводящего полимера, нанесенного через трафарет. Требуемый шаг отверстий трафарета лежит в пределах 0,10-0,38 мм, размеры отверстий составляют 0,05-0,18 мм. Требования по толщине трафарета таковы: 25-75 мкм. Трафареты для формирования выводов кристалла изготавливаются методами химического травления, гальванопластики, лазерной резки. Однако изготовление методом лазерной резки более 100000 отверстий занимает много времени и, следовательно, дорого. После изготовления трафареты должны подвергаться контролю на предмет наличия всех отверстий и соответствия размеров отверстий заданным значениям. Более того, при обнаружении дефектов необходимо их устранение. Дефект, заключающийся в отсутствии отверстия, как правило, можно исправить, но избыточное отверстие – критичный дефект, обычно не подлежащий исправлению. Очень важно контролировать искажения рисунка трафарета, особенно при диаметре пластины 200 мм. При изготовлении трафаретов методами химического травления и гальванопластики необходимо использовать качественные пленочные или стеклянные фотошаблоны. Рис. 1.20. Трафарет для формирования выводов кристалла (размер отверстий 0,127 мм, шаг отверстий 0,3 мм, толщина трафарета 50 мкм, кол-во отверстий 110000) Рис. 1.21. Кристалл с выводами из токопроводящего полимера, нанесенного через трафарет (внизу – увеличенный вид) 1.3.6. Трафареты для ПМИ / BGA Область применения микросхем в корпусе BGA заметно увеличивается, и популярность этих компонентов будет продолжать повышаться. Нанесение пасты на контактные площадки под BGA и под остальные ПМИ, возможно, потребует применения различных трафаретов. Выводы компонентов PBGA (пластиковые BGA) изготовлены из эвтектического сплава, высота которых уменьшается в процессе пайки до уровня 75% от начальной. Компоненты CBGA (керамические BGA) имеют выводы, изготовленные из более тугоплавкого сплава Sn90/Pb10, и их высота не уменьшается во время пайки. Следовательно, компоненты CBGA более чувствительны к проблемам, связанным с компланарности выводов (отсутствие контакта), чем PBGA. Если в ПУ среди ПМИ присутствуют компоненты PBGA, то толщина трафарета может определяться, исходя из требований, предъявляемых другими ПМИ; типичные значения: 150 мм при шаге выводов 0,5 мм, 125 мкм – при 0,4 мм. Минимальная толщина трафарета при использовании компонентов CBGA 200 мкм, что необходимо для обеспечения достаточной высоты отпечатков пасты в целях исключения отсутствия контакта. Если в изделии имеются компоненты CBGA с шагом выводов 0,5 мм, рекомендуется использовать ступенчатые трафареты толщиной в области CBGA 200 мкм, а в области QFP и других ПМИ с малыми 22 размерами – 150 мкм. Отверстия трафарета для CBGA и μBGA (с шагом выводов 0,5 мм) рекомендуется изготовлять методам лазерной резки для точного контроля количества наносимой пасты. Имеются данные, что трафареты со слегка скругленными отверстиями обеспечивают более высокий результат, чем трафареты с круглыми отверстиями. Итак, при разработке конструкции трафарета не стоит ограничиваться только трафаретами фиксированной толщины. Ступенчатые трафареты – это эффективное средство достижения нанесения надлежащего количества пасты при пайке оплавлением ПУ, содержащих небольшое количество штырьковых компонентов, а также компонентов CBGA. При пайке оплавлением штырьковых компонентов, требующих нанесение большего количества пасты, могут применяться трафареты для нанесения пасты в два прохода. Можно с уверенностью утверждать, что только тщательный подбор материалов, разработка конструкции и качество изготовления трафарета могут обеспечивать высокие результаты трафаретной печати и качество паяных соединений. 1.4. Технологические параметры. Выбор технологических параметров • • • • • • Основные технологические параметры процесса трафаретной печати таковы: усилие прижима ракеля к трафарету; скорость движения ракеля; зазор между трафаретом и ПП; угол наклона ракеля; твердость ракеля; температура. Fр Ракель Паяльная паста Трафарет α Fпод r Fравн Рис. 1.22. Силы, действующие на ракель в процессе нанесения пасты Связь между многочисленными силами и параметрами может быть описана при помощи основных законов гидромеханики. Паяльная паста продавливается через отверстия под действием гидродинамического давления, действующего на ракель и трафарет. Гидродинамическое давление пасты на ракель приводит к возникновению подъемной силы (Fпод), которая вместе с усилием ракеля (Fр) результируется в равнодействующей силе Fравн (см. Рис. 1.22). Это описывается следующим соотношением: F равн = Fр − Fпод cos α Подъемная сила, входящая в данное уравнение, создается гидродинамическим давлением пасты, действующим на ракель. Это давление приближенно выражается так: ηVf (α ) pп ≈ r из чего следует Fпод = ηVf (Q ) f (α ) , где η – вязкость пасты; V – скорость движения ракеля; r – ширина области контакта валика пасты с трафаретом; 23 α – угол наклона ракеля; f(α) – геометрическая функция α (значение которой уменьшается с 5 при α=60° до 4 при α=70°); f(Q) – функция, зависящая от количества пасты перед ракелем (значение которой увеличивается при повышение количества пасты). Критерий оценки качества трафаретной печати – очистка верхней поверхности трафарета от пасты при проходе ракеля. Усилие. Усилие оказывает очень существенное влияние на процесс нанесения пасты. Эмпирическое правило: 1 кг / 100 мм длины ракеля при скорости 10 мм/с. Но это приблизительное значение, с которого следует начинать подбор. При этом при увеличении скорости в два раза усилие также следует удвоить. В идеале, скорость движения ракеля и усилие должны задаваться так, чтобы верхняя поверхность трафарета оставалась чистой. Если усилие недостаточно, то паста будет размазываться по трафарету, высота отпечатков будет слишком большой и трудно контролируемой. Если усилие слишком велико, то ракель будет вычерпывать пасту из отверстий трафарета, что приведет к малой высоте отпечатков. Если длина ракеля существенно превышает длину ПП, то при использовании металлических ракелей слишком большое усилие может привести к изменению угла наклона ракеля по причине его деформации. Использование твердого ракеля может привести к снижению влияния данного эффекта. Однако в случае применения ступенчатого трафарета ракель должен быть достаточно гибким для прогибания в области минимальной толщины, в которых имеются отверстия. Если усилие слишком велико, то будет наблюдаться не только вычерпывание, но паста будет затекать под трафарет и стремится образовывать перемычки. Это приведет к необходимости частой очистки нижней поверхности трафарета. Как только определено подходящее усилие, системы создания давления с обратной связью, использующиеся в автоматах трафаретной печати, будут поддерживать заданное значение во время нанесения пасты, обеспечивая повторяемость и устраняя необходимость регулировки. Скорость движения ракеля. Скорость движения ракеля обычно задается в соответствии с вязкостью пасты. Чем больше вязкость, тем меньше скорость движения ракеля, следовательно, чем меньше вязкость, тем выше скорость. Как правило, скорость движения ракеля выбирается в пределах 12-50 мм/с. Проблема, ассоциируемая со скоростью движения ракеля, заключается в недостаточном времени для заполнения пастой отверстий трафарета. Если выбрана скорость, равная 12 мм/с, то заполнение пастой отверстия шириной 0,3 мм потребует 25 мс. Следовательно, скорость движения ракеля может быть снижена, чтобы увеличить вероятность успешного нанесения пасты через столь малые отверстия. Если это не приводит к успеху, то, возможно, требуется изменение конструкции трафарета. Необходимо заметить, что уменьшение скорости движения ракеля приведет к увеличению давления на пасту. И наоборот, увеличение скорости движения снизит прилагаемое давление. Изменение скорости движения ракеля повлечет за собой корректировку усилия. Необходимо отметить, что в настоящее время существует целый класс паст, предназначенных для нанесения на повышенной скорости. Эти пасты характеризуются высоким тиксотропным индексом, благодаря чему при приложении усилия вязкость ее резко уменьшается, и паста продавливается в отверстия трафарета. После снятия усилия вязкость пасты быстро восстанавливается до первоначального значения. При использовании паст такого типа возможно качественное нанесение пасты под компоненты с шагом 0,5мм со скоростью около 100мм/с. 24 Твердость ракеля. Твердость ракелей определяется по методу Шора. Существует несколько уровней твердости ракелей, но не все из них распространены. Наиболее широко применяются ракели трех типов: • мягкий, с твердостью 65 единиц; • средний, с твердостью 75 единиц; • жесткий, с твердостью 90 единиц. Тип ракеля подбирается, исходя из используемого трафарета: ракель средней жесткости для ступенчатого трафарета, жесткий – для трафарета фиксированной толщины. Важно правильно установить ракель в держателе. Если ракель расположен неровно, то и отпечатки будут неровными. Это проявляется тем заметнее, чем выше твердость ракеля. Мягкий ракель будет стремиться самовыравниваться, хотя вероятность вычерпывания пасты из отверстий трафарета будет высокой. Отклонение ракеля от горизонтального положения может компенсироваться увеличением усилия, но вновь будет происходить вычерпывание пасты. В настоящее время наиболее широко используются металлические ракели, так как они обеспечивают лучшее управление технологическим процессом. Как правило, срок службы металлических ракелей больше, и их применение позволяет снизить вероятность вычерпывания пасты. Развитие в области конструирования ракелей привело к появлению различных покрытий, скругленных краев, увеличивающих срок службы трафарета, а также к использованию ракелей с различными углами наклона. Уменьшение угла наклона ракеля увеличивает качество и повторяемость нанесения пасты на контактные площадки под компоненты с малым шагом выводов. Металлические ракели “полируют” поверхность трафарета, что является одним из их отличий от полиуретановых ракелей. 1.5. Технология Pin in Paste В практике часто случаются ситуации, когда на плату с большим количеством поверхностно-монтируемых компонентов требуется установить всего несколько штырьковых компонентов. Пайка этих компонентов вручную или волной ведет к увеличению себестоимости изделия. В этом случае можно рассмотреть возможность пайки штырьковых компонентов в печи оплавления за один проход с ПМИ (технология Pin in paste). Особенно если имеющиеся на предприятии автоматы установки компонентов имеют возможность работы со штырьковыми компонентами. Это технология довольно сложна, однако успешно применяется на ряде предприятий. При применении технологии Pin in Paste следует принять во внимание следующие правила и соображения. Конструкция трафарета. Конструкция трафарета должна в первую очередь обеспечить качественное нанесение пасты под ПМИ. Размеры отверстий для пасты под штырьковые компоненты выполняются размером, несколько большим, чем размеры контактных площадок. Таким образом, паста не только заполняет отверстие, но и наносится на контактную площадку и вокруг контактной площадки на паяльную маску. Дело в том, что при оплавлении объем пасты уменьшается примерно наполовину. И тем не менее этого объема должно хватить для полного заполнения монтажного отверстия и формирования галтелей сверху и снизу ПП. Диаметры отверстий для пасты под штырьковые компоненты рассчитываются по формуле, приведенной в разделе 1.3.3. Степень заполнения монтажных отверстий регулируется подбором параметров нанесения. В отдельных случаях можно рассмотреть возможность создания местных утолщений на трафарете либо использование двух трафаретов разной толщины – сначала для нанесения пасты под ПМИ, затем под штырьковые компоненты. Обычно толщина трафарета для штырьковых компонентов составляет 0,4 – 0,8 мм. Нижняя сторона такого трафарета, прилегающая к ПП, имеет рельефную поверхность, содержащую протравленные углубления на глубину не менее 0,25 мм в тех местах ПП, где уже нанесена паста для компонентов поверхностного монтажа. 25 Штырьковые компоненты должны быть пригодны к пайке в печи оплавления: • компоненты должны выдерживать температуру в печи оплавления; • корпуса компонентов не должны касаться пасты, т.е. должны несколько возвышаться над ПП. Касание корпусом пасты может привести к возникновению шариков припоя и перемычек или воспрепятствовать расплавлению пасты. Для некоторых компонентов наличие специальных буртиков предусмотрено производителем; • вывод компонента не должен выступать с нижней стороны ПП более, чем на 1,5 мм. В противном случае паста может не затечь в отверстие, сформировав каплю на конце вывода, или стечь в печь. Паста должна быть пригодна для Pin in Paste. В принципе для Pin in Paste пригодны все пасты, однако не все из них дают одинаково хорошие результаты. Паста должна обеспечить хорошее заполнение отверстий при перемещении ракеля и должна хорошо удерживаться в отверстии и на выводе. Технологические параметры нанесения: • для улучшения заполнения монтажных отверстий диаметр валика пасты перед ракелем должен быть не менее 25 мм; • по этой же причине необходимо снижать скорость нанесения; • увеличить усилие ракелей. При этом увеличивается деформация ракеля, что приводит к уменьшению угла наклона и, соответственно, давления нанесения; • применять ракели с углом наклона 45º; • нанесение за два прохода. Однако при этом может ухудшиться качество печати для ПМИ. Очень хорошие результаты нанесения пасты в отверстия дает система ProFlow. Благодаря своей конструкции она создает только вертикальное усилие, обеспечивающее великолепное проникновение пасты в отверстия. 1.6. Технология ProFlow С увеличением плотности монтажа, расширением применения компонентов с малым шагом выводов и повышением требований к производительности сборочномонтажных линий, в области трафаретной печати стало производиться больше исследований. Как следствие в последние несколько лет традиционное оборудование для трафаретной печати и технологии нанесения пасты претерпели существенные изменения. При нанесении пасты ракелями на тяговое усилие/усилие нанесения оказывают влияние следующие параметры: • угол наклона ракелей; • скорость перемещения ракелей; • реология пасты; • объем пасты в валике. Рис. 1.23. Процесс нанесения пасты с использованием ракелей 26 В отличие от традиционного процесса трафаретной печати с использованием ракелей нанесение пасты с применением Proflow обладает следующими преимуществами: • давление, прилагаемое к паяльной пасте, не зависит от объема пасты в валике; • паста находится внутри головки и изолирована от влияния атмосферного воздуха, что препятствует испарению растворителей из пасты, ее окислению и загрязнению; • обеспечивается постоянный объем пасты на трафарете; • уменьшаются потери пасты. Система Proflow работает следующим образом. Головка Proflow постоянно находится на трафарете. Перед началом цикла нанесения после считывания реперов головка прижимается к трафарету с запрограммированным усилием. Поршень Proflow подключается к давлению, величина которого устанавливается программно и регулируется с помощью автоматического регулятора давления. Затем головка Proflow перемещается с заданной скоростью. Рис. 1.24. Процесс нанесения пасты с использованием Proflow Технологические параметры при работе с Proflow таковы: усилие прижима головки Proflow к трафарету, давление на поршень Proflow, скорость перемещения головки Proflow. При нанесении пасты с помощью Proflow очень важна правильная поддержка ПП и трафарета снизу. Размеры ПП всегда меньше размера головки Proflow, поэтому неправильно организованная поддержка с краев Proflow приведет к нестабильным результатам нанесения и загрязнению трафарета пастой. Рис. 1.25. Поддержка Proflow 27 Рис. 1.26. Неправильная поддержка При нанесении пасты с использование Proflow давление, оказываемое на пасту, значительно превышает давление при использовании ракелей. Поэтому при проектировании трафаретов размеры отверстий для компонентов с малым шагом необходимо уменьшать на 10% по сравнению с размерами контактных площадок. В противном случае возможно проникновение пасты в зазор между ПП и трафаретом и образование перемычек. Вообще говоря, это правило следует применять и при использовании ракелей. Рис. 1.27. Правило конструирования отверстий трафаретов для микросхем с малым шагом Из-за конструктивных особенностей Proflow отверстия трафарета не должны находиться ближе 5 мм к краю ПП. Во избежание повреждения скребков или трафарета отверстия размером более 5 мм следует выполнять в виде нескольких меньших отверстий, разделенных перемычками размером не менее 0,2 мм. Рис. 1.28. Разделение отверстий больших размеров 1.7. Технология нанесения клея через трафарет В результате повышения плотности монтажа и увеличения многообразия элементной базы перед предприятиями электронной промышленности встала необходимость внедрения новых технологий сборочно-монтажных работ. В течение многих лет для нанесения клея под ПМИ перед пайкой волной использовалось 28 дозирование. Широкое применение высокопроизводительных автоматов установки чипкомпонентов и еще большее усложнение ПУ привело к тому, что автомат дозирования становится “узким” местом производственной линии, ограничивающим производительность. Вследствие этого возродился интерес к нанесению клея через трафарет, что не осталось незамеченным основными производителями клеев, каждый из которых сейчас предлагает специальные клеи для нанесения через трафарет. Нанесение клея через трафарет – сверхвысокопроизводительный и дешевый технологический процесс. В то время как дозирование – последовательный процесс, все клеевые точки могут быть нанесены через трафарет за один рабочий ход ракеля. Хотя это и не имело широкого распространения, но в течение нескольких лет отдельное число производителей электроники применяло нанесение клея через трафарет перед установкой пассивных компонентов, и оказалось, что процесс обладает высокой стабильностью. Однако единственным ощутимым недостатком нанесения клея через обычный металлический трафарет является невозможность получения клеевых точек различной высоты для разных компонентов без использования дорогих ступенчатых трафаретов. Металлические трафареты могут быть использованы для нанесения клея также, как и для нанесения пасты, но, как правило, для нанесения клея используются трафареты большей толщины. Типичная толщина металлического трафарета для нанесения пасты составляет 250 мкм. Если использовать в качестве материала трафарета пластик, то становится возможным наносить клей через трафареты толщиной более 1 мм с отверстиями, полученными сверлением. 1.7.1. Факторы, подлежащие рассмотрению Рассмотрим основные факторы, влияющие на технологический процесс (см. Табл. 1.5) Дозирование • • • • • • • • • • • • • • • Нанесение с помощью трафарета 1. Клей • Вязкость • Смачивающая способность • Температурная стабильность 2. Автомат Давление • Усилие ракеля Время • Скорость движения ракеля Температурная стабильность • Зазор между трафаретом и ПП Система поддержки ПП • Система поддержки ПП Производительность • Производительность 3. Оснастка Конструкция дозирующей иглы • Конструкция отверстий (отношение (расстояние от иглы до ПП, диаметр и т. площади отверстий к толщине д.) трафарета и т. д.) Закупорка дозирующей иглы • Закупорка отверстий трафарета Износ дозирующей иглы • Тип ракеля Прочистка дозирующей иглы • Износ ракеля • Очистка трафарета 4. Конструкция ПП Конструкция контактных площадок (ПП • Конструкция контактных площадок (ПП с поверхностью, выровненной горячим с поверхностью, выровненной горячим воздухом и др.) воздухом и др.) Защитная маска • Защитная маска Расположение проводников • Расположение проводников Вязкость Смачивающая способность Температурная стабильность 29 • • Расположение отверстий Расположение отверстий Табл. 1.5. Факторы, влияющие на технологический процесс Клей. Характеристики клея играют главную роль, как при дозировании, так и при нанесении через трафарет. Вязкость материала может определять давление воздуха и время нахождения дозирующей головки в нижнем положении при дозировании и скорость движения ракеля при нанесении через трафарет. Клеи, предназначенные для дозирования, могут наноситься через трафарет, но при этом надо принять во внимание дополнительные факторы. Эти факторы включают в себя высыхание, поглощение влаги, загрязнение растворителями, используемыми для очистки трафарета, и т. д. По этим причинам химический состав клеев специально разрабатывался для соответствия требованиям, предъявляемым условиями их использования. Автомат. Обычно давление ракеля задается так, чтобы поверхность трафарета оставалась чистой так же, как и при нанесении пасты. Зазор между трафаретом и ПП задается для контактного нанесения клея так же, как и при нанесении пасты. Наиболее важным параметром является скорость движения ракеля. Как правило, скорость движения ракеля ограничена вязкостью клея. Нанесение клея через трафарет благодаря меньшему типичному значению вязкости клея может происходить при более высокой скорости движения ракеля. Поэтому время цикла обычно составляет около 30 сек. Сравнивая это значение с характеристиками высокопроизводительных автоматов дозирования, вы увидите явное преимущество нанесения клея через трафарет при увеличении количества клеевых точек или компонентов. Оснастка. Конструкция трафарета главным образом зависит от типа компонентов. Технологические ограничения, такие, как отношение площади отверстия к толщине трафарета, играют роль при малых размерах компонентов. Это приводит к проблемам при наличии как компонентов с малыми размерами, так и крупных компонентов с большими зазорами. В таком случае возможно использование трафаретов с нестандартной конструкцией отверстий. Следующим вопросом, который необходимо затронуть при рассмотрении оснастки, является вопрос ракелей. Металлический ракель с углом 45° показал высокую повторяемость отпечатков клея. Конструкция ПП. Также играет важную роль при нанесении клея. Непостоянство толщины защитной маски и контактных площадок, что имеет место в ПП с поверхностью, выровненной горячим воздухом, может привести к возникновению проблем, как при дозировании, так и при нанесении через трафарет. 1.7.2. Что дает нанесение через трафарет? Производительность. Ниже приведено сравнение времени цикла автоматов дозирования с производительностью 30000 и 40000 доз/ч с временем цикла автомата трафаретной печати (см. Табл. 1.6). Необходимо заметить, что время цикла автомата дозирования указано на основе максимальной производительности. Производительность 30000 доз/ч Время цикла КолВремя цикла автомата во автомата трафаретной доз дозирования, печати, мин. мин. 0,5 100 0,20 0,5 250 0,50 0,5 500 1,00 0,5 1000 2,00 0,5 2000 4,00 0,5 5000 10,00 Производительность 40000 доз/ч Время цикла КолВремя цикла автомата во автомата доз дозирования, трафаретной печати, мин. мин. 0,5 100 0,15 0,5 250 0,38 0,5 500 0,75 0,5 1000 1,50 0,5 2000 3,00 0,5 5000 7,50 30 Табл. 1.6. Сравнение времени цикла Коэффициент использования оборудования. При сборке ПУ с ПМИ, установленными на нижней стороне, используется либо отдельная линия, либо высокопроизводительный автомат дозирования устанавливается в одну линию с автоматом трафаретной печати. Сборочная линия для ПМИ, установленных с нижней стороны, может состоять из высокопроизводительного автомата дозирования или автомата трафаретной печати, автомата установки компонентов и печи для отверждения клея как отдельной линии. Если автомат дозирования устанавливается в линию с автоматом трафаретной печати, то один из них используется в качестве конвейера в то время, когда работает другой. Это приводит к неэффективному использованию оборудования. Если клей для приклеивания компонентов с нижней стороны ПП наносится через трафарет, конфигурация линии такая же, что и для пайки оплавлением. По этой причине, коэффициент использования оборудования может быть увеличен. Гибкость нанесения отпечатков. Благодаря отсутствию ограничений по конструкции отверстий трафаретов, изготовленных химическим способом или методом лазерной резки, форма отпечатков клея может быть самой разнообразной. Отпечатки могут быть специальной формы под конкретные приклеиваемые компоненты. Конструкция отверстий может быть подобрана таким образом, чтобы максимально использовать свойства клея до и после отверждения. Для некоторых более крупных компонентов, обладающих большой массой, контактная область должна обладать достаточной силой смачивания для удержания компонентов после установки. Это легко достижимо благодаря гибкости конструкции. 1.7.3. Нанесение клея через металлический трафарет Существует три основных области применения нанесения клея через металлический трафарет: 1. приклеивание стандартных чип-компонентов с расстоянием от ПП до корпуса компонента 50-125 мкм; 2. приклеивание стандартных чип-компонентов, SOIC и PLCC с расстоянием от ПП до корпуса компонента 50-760 мкм; 3. нанесение клея на ПП, когда на ней присутствуют препятствия (например, выводы предустановленных компонентов), требующих наличие полостей в трафарете для плотного прилегания трафарета к ПП. Рис. 1.29. Высота клеевых точек перед установкой компонентов Приклеивание стандартных чип-компонентов. Типичное значение расстояния от ПП до корпуса компонента для таких типов компонентов лежит в пределах 50-125 мкм, что требует минимальных изменений обычной конструкции трафарета. Объем отпечатков клея регулируется с помощью размеров отверстий. Для компонентов таких типов это, как правило, некритично, и точность ±25 мкм достаточна. Более высокая точность может быть легко достигнута. Ввиду относительно малого расстояния от ПП до корпуса компонента для получения отпечатков клея нужной высоты достаточно подобрать соответствующую толщину трафарета. Трафарет толщиной 150-250 мкм обеспечит необходимую высоту 31 отпечатков клея для гарантированного контакта клея с компонентами. Рекомендуется округлая форма отверстий. Приклеивание стандартных чип-компонентов, SOIC и PLCC. При нанесении клея не только под чип-компоненты, но и под SOIC и PLCC конструкция трафарета усложняется незначительно. Расстояние от ПП до корпуса компонентов SOIC и PLCC может достигать 760 мкм. Простым решением вопроса было бы изготовление трафаретов толщиной 900 мкм, что гарантировало бы получение отпечатков клея подходящей высоты. Однако это поднимает вопрос о соотношении геометрических размеров отверстий, особенно для нанесения клея под чип-компоненты малых размеров. Кроме того, высота 760 мкм при условии, что весь клей, попавший в отверстия, останется на ПП, приведет к переворачиванию чип 0402. К счастью, клей не обладает такими же свойствами, как паяльная паста. Соотношение геометрических размеров отверстий трафарета для нанесения клея отличается от соотношения для пасты. Интересно, что ширина отверстий трафарета 0,4-0,5 мм предотвращает проникновение всего объема клея на ПП. При ширине отверстий более 0,5 мм клей более свободно проходит через отверстия, приводя к увеличению объема отпечатков. В некоторых случаях материал может продавливаться через трафарет с образованием отпечатков высотой, превышающей толщину трафарета. Толщина трафарета 900 мкм приводит к увеличению времени цикла и может не обеспечить наилучший результат. Путем правильного подбора конструкции отверстий трафарета и технологии нанесения можно добиться того, что трафарет гораздо меньшей толщины может показать аналогичный, если не лучший результат. Трафарет толщиной 380 мкм может быть использован для нанесения клея под компоненты с расстоянием от ПП до корпуса компонента 50-760 мкм и больше. При разработке конструкции отверстий трафарета необходимо исходить из связи между размерами отверстий и расстояния между ними. Аналогично, объем наносимых отпечатков клея регулируется шириной и длиной отверстий, рекомендованная форма которых округлая. Растекание управляется конструкцией и формой отверстий трафарета. Высота отпечатков зависит от технологии нанесения. Как правило, для каждого приклеиваемого чип-компонента должно быть одно отверстие для нанесения клея. В том случае, если чип-компоненты расположены в ряд, клей может наноситься через одно продолговатое отверстие под все компоненты. При этом нет необходимости увеличивать ширину отверстия. При приклеивании компонентов PLCC и SOIC потребуется, возможно, несколько отверстий для нанесения клея. Целью является покрытие клеем 30% свободной области под компонентом. Нанесение клея на ПП при наличии на ней препятствий. Возможно несколько случаев, в которых либо присутствие установленного компонента, либо другого объекта на ПП требует наличие свободной области на поверхности ПП со стороны трафарета. В такой ситуации невозможно использование стандартных трафаретов. Как говорилось выше, для нанесения клея на ПП могут применяться трафареты толщиной 900 мкм. Если в таком трафарете будут сделаны полости со стороны ПП в районе препятствий, то это позволит обеспечить плотное прилегание трафарета. Наносимый объем клея может также регулироваться длиной и шириной отверстия. Высота определяется высотой полостей. Наилучшая форма отверстий округлая. Итак, сочетание высокой производительности, гибкой конструкции отверстий и высокого коэффициента использования делает нанесение клея через трафарет для приклеивания чип-компонентов с нижней стороны ПП очень привлекательной альтернативой традиционному нанесению методом дозирования. При среднем времени цикла 30 сек. трафаретная печать обеспечивает сокращение времени цикла, особенно с ростом количества клеевых точек. Использование автомата трафаретной печати для нанесения клея также позволяет более эффективно использовать оборудование, устраняя простой линии в случае отсутствия автомата дозирования. Современные технологии 32 производства трафаретов позволяют изготовлять отверстия в них практически любой формы. Это обеспечивает гибкость проектирования отверстий трафарета. 1.7.4. Нанесение клея через пластиковый трафарет Нанесение клея через пластиковые трафареты не отличается от нанесения пасты. Могут быть использованы похожие параметры технологического процесса. В результате исследований было установлено, что процесс нечувствителен к незначительным изменениям параметров, что обеспечивает высокую повторяемость. При нанесении клея через трафарет необходимо обратить внимание на обеспечение надежного контакта клея с поверхностью ПП. В этом отношении жесткие ракели с углом 45° обеспечивают заполнение отверстий клеем и продавливание клея через малые отверстия. Если говорить о качестве отпечатков, то наиболее важным параметром является скорость разделения трафарета и ПП. Управляемое медленное разделение позволяет получить отпечатки клея конической формы. При более высоких скоростях разделения происходит нарушение процесса извлечения отпечатков клея, что приводит к возникновению тяжей или, в худшем случае, к смещению отпечатков. Ракель Клей Трафарет ПП Ракель Трафарет ПП Ракель Трафарет ПП Рис. 1.30. Схема процесса нанесения клея через трафарет 33 1800.00 Трафарет толщиной 1 мм 1600.00 Трафарет толщиной 1,5 мм Высота отпечатков, мкм 1400.00 Трафарет толщиной 2 мм 1200.00 1000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 Диаметр отверстия, мм Рис. 1.31. Зависимость высоты отпечатков от диаметра отверстий при различной толщине трафарета Повышение толщины трафарета необязательно приводит к увеличению высоты отпечатков. Трафареты толщиной 1 и 1,5 мм показали похожие результаты при диаметре отверстий 0,6-2,8 мм (см. Рис. 1.31). Такая же тенденция была замечена и для трафарета толщиной 2 мм, но на более низком уровне. Этот факт можно объяснить большим поверхностным натяжением между стенками отверстий трафарета и клеем, что уменьшает объем клея, который остается на ПП после разделения с трафаретом. Оказалось, что при толщине трафарета 2 мм диаметр отверстия 0,6 мм не обеспечивает удовлетворительное нанесение клея. В целом трафарет толщиной 1 мм показал наилучший компромисс между диапазоном высоты отпечатков и повторяемостью. Наряду с тем, что трафареты большой толщины позволяют наносить отпечатки клея различной высоты, пожалуй, наиболее важным преимуществом использования толстых пластиковых трафаретов является возможность изготовления в них полостей с нижней стороны над контактными площадками с нанесенной на них паяльной пастой. В то время как такая технология доступна и при использовании дорогостоящих металлических трафаретов, применение пластиковых трафаретов большой толщины позволяет изготовлять более глубокие полости. Таким образом, пластиковые трафареты могут быть использованы для нанесения отпечатков клея различной высоты в пределах 0,2-2 мм через трафарет фиксированной высоты. При точном подборе размеров отверстий трафарета, можно добиться нанесения отпечатков оптимальной высоты для компонентов различных типов, установленных на ПП, за один проход ракеля. Исследования показали, что форма отпечатков клея зависит от собственных характеристик клея. 1.8. Дефекты нанесения пасты и способы их устранения Выше было отмечено, что на этапе трафаретной печати может возникать свыше половины всех дефектов. Поэтому рассмотрение распространенных дефектов и способов их устранения представляет большой интерес. Основные дефекты трафаретной печати: • образование перемычек (см. Рис. 1.32); • избыточное количество паяльной пасты (см. Рис. 1.33); • недостаточное количество паяльной пасты (см. Рис. 1.34); • вычерпывание паяльной пасты (см. Рис. 1.35); • смещение отпечатка относительно контактных площадок (см. Рис. 1.36); • размазывание паяльной пасты; 34 • • растекание паяльной пасты (см. Рис. 1.37); наличие паяльной пасты на поверхности ПП (см. Рис. 1.38). Рис. 1.32. Образование перемычек Рис. 1.33. Избыточное количество пасты Рис. 1.34. Недостаточное количество пасты 35 Рис. 1.35. Вычерпывание пасты Рис. 1.36. Смещение отпечатков пасты Рис. 1.37. Растекание пасты Рис. 1.38. Наличие пасты на поверхности ПП В Табл. 1.7 приведены дефекты трафаретной печати и типичные причины их возникновения. Для удобства восприятия возможные причины разделены на 6 групп: на причины, связанные с пастой, ПП, трафаретом, ракелем, автоматом (отладкой, 36 Автомат Ракель Трафарет ПП Паста Низкое качество пасты Низкая вязкость пасты Высокая вязкость пасты Паста подсохла или просрочена Паста не вращается под ракелем Паста прилипает к ракелю Паста находилась на трафарете длительное время, при этом не производился процесс трафаретной печати Толщина паяльной маски больше или намного меньше контактных площадок Нелинейные искажения рисунка ПП Контактные площадки имеют некачественное лужение Паяльная маска, маркировочная краска, штрих-код мешают плотному контакту трафарета и ПП Отверстия трафарета намного шире размера, равного половине шага выводов Отверстия трафарета намного уже размера, равного половине шага выводов Отверстия трафарета частично или полностью закупорены Ошибки при проектировании и/или изготовлении трафарета (наличие лишних отверстий) Толщина трафарета более 150 мкм Наличие повреждений трафарета Недостаточная твердость ракеля Истирание ракеля Искривление кромки лезвия ракеля Повреждение кромки ракеля Слишком высокое усилие ракеля Слишком низкое усилие ракеля Слишком высокая скорость перемещения ракеля Низкая или высокая скорость 37 Паста на поверхности ПП Растекание пасты Смещение отпечатка Вычерпыва-ние пасты Недостаточное кол-во пасты Причина Избыточное кол-во пасты Гр. Образование перемычек обслуживанием) и на прочие причины. Однако данное деление носит условный характер, так как однозначная классификация некоторых причин весьма затруднительна. Дефекты Типичные причины возникновения дефектов ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Прочее разделения трафарета и ПП Недостаточная поддержка ПП снизу Недостаточное количество пасты под ракелем по всей его ширине Наличие остатков пасты на трафарете Зазор между трафаретом и ПП Неточное совмещение отверстий трафарета и контактных площадок ПП Рассогласованность реперных знаков на ПП и трафарете Некорректное распознавание реперных знаков Вовремя не проведенное техническое обслуживание автоматов Высокая температура и влажность в помещении Низкая температура в помещении Повторное нанесение пасты на ПП после неточного нанесения пасты без отмывки Некачественная отмывка платы после неточного нанесения пасты ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Табл. 1.7. Распространенные дефекты и причины их возникновения Рис. 1.39. Качественное нанесение паяльной пасты Качественные нанесение отпечатков пасты (см. Рис. 1.39) должно отвечать следующим требованиям: • четкие края; • высота отпечатка равна толщине трафарета; • точное расположение отпечатка относительно площадок; • отсутствие подтеков флюса. 1.9. Литература 1. Design of stencils for mixed technology SMT / Flip chip & through-hole / SMT. William E. Coleman, John M. Ross 2. Introduction to the SMT Assembly Process. DEK Printing Machines Ltd. Issue 1 3. Plastic stencils for bottomside chip attach. Mark Whitmore, Colin MacKay, Alan Hobby. DEK Printing Machines Limited, Weymouth, England 38 4. R. J. Klein Wassink, M. M. F. Verguld. Manufacturing Techniques for Surface Mounted. – Assemblies. Electrochemical Publications Ltd., 1995 5. Screen printing bottom side chip attach adhesive. Rich Lieske, Ken Quigley. DEK, USA 6. Solder paste printing. Brian Sloth Bentzen, SMT in FOCUS, 2000 7. Поверхностный монтаж. Информационный бюллетень ЗАО Предприятия ОСТЕК. № 5/6, 2004 39 2. Дозирование 2.1. Введение Метод дозирования при производстве электронных модулей применяется в основном для нанесения клеев и паяльных паст. Клей в производстве электронных модулей используется в основном в двух случаях. Первый случай – сборка печатных узлов (ПУ) со смешанным монтажом. ПМИ с помощью клея предварительно фиксируются на печатной плате (ПП). После отверждения клея и установки штырьковых компонентов производится пайка волной припоя. Второй случай – сборка двухсторонних ПУ с ПМИ. Клей иногда наносится под крупные компоненты на первой стороне ПП во избежание их падения при пайке верхней стороны ПП. Оборудование Технологические параметры Время Диаметр дозирующей иглы Дозатор Высота дозирования пребывания иглы в нижнем Высота подъема иглы после дозирования Дозирующая Статическое давление на материал положении после игла в картридже дозирования Качество дозирования Паяльная паста / Влажность Обучение клей Температура Полномочия Компетентность Материалы Окружающая среда Персонал Рис. 2.1. Факторы, влияющие на качество дозирования Область применения дозирования для паяльных паст существенно уже и ограничивается ремонтом и мелкосерийным производством, когда изготовление трафарета экономически не оправдано. Необходимо отметить, что для нанесения методом дозирования используются специальные пасты с пониженным содержанием металлической составляющей (85%). Пасты, предназначенные для нанесения методом трафаретной печати, наносить методом дозирования нельзя. Принимая во внимание более широкое распространение в промышленности дозирования клея, чем пасты, посвятим рассмотрению этой технологии большую часть данного раздела. Особенности дозирования пасты будут обсуждены в соответствующем подразделе. 2.2. Альтернативы дозирования Существуют две высокопроизводительные альтернативы дозирования: перенос штырем и трафаретная печать. Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их более подробно. 2.2.1. Перенос штырем Это один из наиболее быстрых методов нанесения клея на ПП. Сущность данного метода заключается в следующем. Плита со штырями, расположение которых соответствует рисунку платы, погружается в подогреваемый поддон с клеем, а затем перемещается и опускается на плату. Клей, оставшийся на штырях, наносится на соответствующие места на плате. Объем дозы определяется диаметром штыря. Метод переноса штырем обладает преимуществом одновременного нанесения всех клеевых 40 точек, что позволяет использовать его в массовом производстве. Будучи способом со специальной оснасткой для каждого типа ПП, перенос штырем идеального подходит для применения при сборке ПУ одного типа. Перенос штырем хорошо подходит для нанесения клея для приклеивания большого количества средних и крупных компонентов. Плита со штырями Клей в поддоне Смачивание клеем штырей Перенос на ПП Рис. 2.2. Перенос штырем Недостатки данного метода очевидны: высокая стоимость оснастки и сложность перехода на новый вид изделий. Кроме того, говорить о высокой повторяемости и качестве наносимых точек вряд ли приходится. Клей в поддоне имеет большую площадь поверхности, через которую происходит поглощение влаги. Температура клея в поддоне лежит в пределах 30-35°C. При повышенных температурах и с течением времени происходит постепенное отверждение клея. Время жизни клея в поддоне составляет максимум 6 недель, причем неправильный выбор клея может существенно снизить его. Для выравнивания поверхности клея в поддоне для равномерного смачивания клеем штырей необходимо наличие ракеля. Повторяемость смачивания зависит от постоянства свойств клея. Не так просто получить клеевые точки малых размеров, например, под чип 0603 и 0805. Следующим недостатком данного метода является возможность повреждения штырей в процессе эксплуатации. Так как штыри жестко фиксированы в плите, то невозможна коррекция растяжений или поворотов рисунка ПП. Для клеев с высокой вязкостью отношение диаметра штыря к диаметру клеевой точки должно составлять 1:1, с низкой – 1:1,2. Вязкость зависит от температуры, срока службы, партии и типа клея. В данном методе скорость достигается за счет потери гибкости и сужения спектра наносимых материалов. Перенос штырем занимает очень специализированный сегмент рынка – массовое производство изделий на линиях поверхностного монтажа сверхвысокой производительности. 2.2.2. Трафаретная печать Так же как и перенос штырем, трафаретная печать – очень быстрый метод нанесения материалов. Трафаретная печать сама по себе – хорошо отработанный процесс. Относительно новая тенденция в промышленности наносить клей через трафарет объясняется возможностью получения отпечатков различной высоты за один проход ракеля. 41 Ракель Трафарет Клей ПП Рис. 2.3. Трафаретная печать У этой технологии сохранены все традиционные достоинства трафаретной печати: высокая скорость, низкая стоимость, возможность нанесения малых отпечатков, а также отпечатков с большой высотой. Кроме того, данная технология позволяет осуществлять быструю переналадку. Одно и то же оборудование предоставляет возможность нанесения различных материалов. Современное оборудование для трафаретной печати позволяет использовать реперные знаки ПП для коррекции по углу. В отличие от плит и штырей, трафареты относительно дешевы, и их изготовлением занимается множество предприятий. Все же трафаретная печать не лишена ряда недостатков. Как и плита со штырями, трафареты изготавливаются под каждый тип изделий, не предоставляя тем самым возможность добавления клеевой точки или увеличения высоты отпечатка. Кроме того, при нанесении ракелями клей подвержен воздействию воздуха, что приводит к поглощению влаги. При движении ракеля происходит попадание небольшого объема воздуха в отпечатки клея, что может привести к возникновению проблем по причине расширения воздуха во время отверждения клея. Вязкость, тыс. сП 3000 2500 Малое изменение температуры 2000 1500 Большое изменение вязкости 1000 500 0 20 25 30 35 40 45 50 Температура, °С Рис. 2.4. График зависимости вязкости от температуры При нанесении материала методом трафаретной печати невозможна компенсация растяжения рисунка ПП. Параметры процесса зависят от вязкости наносимого материала. Не представляется возможным постоянно подстраивать параметры процесса при изменении температуры на 1-2°C. Колебаний температуры производственного помещения в пределах 23-27°C достаточно для изменения вязкости клея на величину до 30% (см. Рис. 2.4). В настоящее время преимущества метода трафаретной печати перевешивают его недостатки, что ускоряет развитие этой области. Трафаретная печать позволяет наносить большее разнообразие материалов, чем метод переноса штырем. Однако метод нанесения через трафарет не обладает такой гибкостью, как дозирование. 42 Более подробно метод нанесения клея через трафарет рассмотрен в разделе «Трафаретная печать». 2.3. Типы дозаторов 2.3.1. Ручные дозаторы Для нанесения материалов методом дозирования в единичном и мелкосерийном производстве применяются ручные пневматические дозаторы. Оператор удерживает картридж с присоединенной к нему дозирующей иглой (см. Рис. 2.5) и контролирует время приложения давления для формирования дозы требуемого объема тем или иным способом, например, нажимая на педаль. Объем дозы определяется диаметром дозирующей иглы, временем приложения и величиной давления. Рис. 2.5. Типы игл для ручных дозаторов С помощью ручных дозаторов можно качественно наносить пасту под чипкомпоненты и микросхемы с шагом не менее 1,27 мм. При дозировании под микросхемы паста на контактные площадки наносится либо в виде точек в шахматном порядке, либо в виде линии поперек контактных площадок. В последнем случае при оплавлении жидкий припой под действием сил поверхностного натяжения стягивается на выводы, и перемычек не образуется. Для микросхем с малым шагом выводов способ нанесения пасты в виде линии исключен, а при дозировании на контактные площадки требуется очень много времени. К тому же велика вероятность возникновения дефектов. Все это делает целесообразность применения ручных дозаторов для микросхем с малым шагом сомнительной. 2.3.2. Автоматические дозаторы В области дозирования существует несколько конкурирующих технологий. Для каждой из них характерны свои преимущества и недостатки, определяющие область их применения. Можно выделить четыре типа дозаторов: • пневматические; • шнековые; • поршневые; • струйные. В промышленности наиболее широко применяются пневматические, шнековые и поршневые дозаторы. Метод струйного нанесения относительно нов, однако в последнее время приобретает все большее распространение. 2.3.2.1. Пневматические дозаторы Эта технология появилась первой и до сих пор используется наиболее широко. Среди всех технологий дозирования системы такого типа претерпели больше всего изменений в процессе длительного развития. Пневматическим дозаторам свойственна высокая гибкость и возможность нанесения широкого спектра материалов. Принцип работы пневматического дозатора заключается в следующем (см. Рис. 2.6). К картриджу с клеем, закрепленному в дозирующей головке, прикреплена 43 дозирующая игла определенного диаметра. К картриджу прикладывается импульс давления определенной величины и длительности. Диаметр иглы, величина и время приложения давления определяют размер точки. Автоматические пневматические дозаторы могут обеспечить производительность до 40000 доз/час. Недостатком пневматических дозаторов является нестабильность доз. В принципе, при нанесении клея невысокая стабильность доз не является очень критичным фактором. Правило выбора размера клеевых точек можно сформулировать следующим образом. Размер клеевой точки под компонент выбирается таким образом, чтобы клей касался нижней поверхности компонента в степени, достаточной для образования надежного соединения, и не попадал на контактные площадки. Гораздо критичнее то, что размер точек может изменяться (уменьшаться) по мере опустошения картриджа, особенно в автоматах с производительностью, близкой к максимальной для этого способа дозирования. давление поршень картридж клей дозирующая игла Рис. 2.6. Пневматический дозатор Пневматические дозаторы позволяют оператору осуществлять быструю замену картриджей и очистку или смену дозирующих игл. Простота очистки и обслуживания является преимуществом данной технологии по сравнению со всеми остальными. Пневматические дозаторы обладают простой надежной конструкцией и принципом действия. Главный недостаток таких систем проявился по мере увеличения производительности автоматов установки компонентов, что привело к возрастанию производительности автоматов дозирования с пневматическими дозаторами с 10000 доз/ч до 40000 доз/ч. В дозаторах высокой производительности (близкой к предельной для данного метода) по мере опустошения картриджа увеличивается время отклика на пневмоимпульс (см. Рис. 2.8), что приводит к уменьшению размера точек. Для преодоления данного недостатка обычно требуется использование СТЗ и температурного контроля. Среди недостатков пневматических дозаторов стоит упомянуть слабую повторяемость нанесения клеевых точек под компоненты с малыми размерами, например, чип 0805, 0603. Клеевые точки для фиксации чип-компонента типоразмера 0402 получить очень сложно, и, следовательно, это не рекомендуется для промышленного применения. 44 Диаметр точки, ммmm Dot Diameter 0.018 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 Уровень материала в картридже, Syringe Level % % Рис. 2.7. Зависимость диаметра точки от уровня материала в картридже С все более сильным проявлением недостатков пневматических дозаторов из-за увеличения производительности автоматов установки компонентов, повышается конкуренция со стороны других технологий. Развитие трафаретной печати, шнековых и поршневых дозаторов во многом объясняется недостатками пневматических дозаторов. Отклик на пневмоимпульс Медленный Быстрый Рис. 2.8. Увеличение времени отклика на пневмоимпульс 2.3.2.2. Шнековые дозаторы К преимуществам данного метода относится очень высокая повторяемость доз и возможность дозирования почти всех материалов, вызывающих сложности при нанесении другими способами. Шнековый дозатор работает следующим образом (см. Рис. 2.9). Картридж с клеем закрепляется в дозирующей головке. К картриджу прикладывается постоянное давление для подачи клея в шнековую камеру с закрепленной на ней дозирующей иглой. В шнековой камере находится шнек, при вращении которого клей подается в дозирующую иглу. Величина дозы зависит от времени вращения шнека и диаметра иглы. Шнековые дозаторы отличаются очень высокой стабильностью доз. По этой причине их часто применяют не только для дозирования клея, но и паяльной пасты, когда стабильность и точность доз особенно важна. 45 давление поршень картридж двигатель клей редуктор шнек адаптер для дозирующей иглы Рис. 2.9. Шнековый дозатор Недостаток состоит в более сложной очистке по сравнению с пневматическими дозаторами. Возможности данных дозаторов, так же как и пневматических, снижаются с уменьшением размеров клеевых точек, зависящих от продолжительности вращения шнека. В таких системах при вращении шнека на одинаковый угол объем дозируемого материала зависит от вязкости материала и от диаметра дозирующей иглы. Вязкость меняется в зависимости от температуры, партии материала и срока хранения. Область применения шнековых дозаторов продолжает увеличиваться. Производительность шнековых дозаторов выше, чем пневматических, но ниже, чем поршневых и струйных. Диапазон размеров клеевых точек, получаемых с помощью шнековых дозаторов, очень широк. Отходы материала при использовании таких дозаторов малы. Шнековые дозаторы используются для нанесения материалов с вязкостью в пределах 100-1500 тыс. сП. 2.3.2.3. Поршневые дозаторы Рис. 2.10. Поршневой дозатор При подъеме поршня вверх материал под действием давления, приложенного к картриджу, затекает в рабочую камеру. Затем поршень под действием давления перемещается в рабочую камеру и выдавливает клей через присоединенную к ней дозирующую иглу. Объем дозы зависит от величины хода поршня, который регулируется настоечным винтом. Преимущество поршневого дозатора: малая зависимость или полное отсутствие зависимости производительности от размера клеевой точки (см. Рис. 2.11). Сочетание этого качества поршневых дозаторов с независимостью дозируемого объема от вязкости материала позволяет наносить материал с большой производительностью, точностью и повторяемостью. 46 Производительность, доз/ч Недостатком служит более сложная очистка по сравнению с пневматическими дозаторами. Кроме этого, невозможно программное управление размерами точек. Зазор между цилиндром и поршнем может привести к возникновению проблем при дозировании материалов с крупным размером частиц. Поршневой дозатор обладает большей производительностью, чем пневматический и шнековый, но меньшей, чем трафаретная печать и перенос штырем. С помощью поршневых дозаторов можно наносить большое количество материалов с различной вязкостью. 45000 Поршневые дозаторы 40000 Шнековые 35000 дозаторы 30000 Пневматические 25000 дозаторы 20000 15000 10000 0,5 0,75 1,0 1,25 Диаметр точек, мм Рис. 2.11. График зависимости производительности от размера точек 2.3.2.4. Струйные дозаторы Принцип работы. Подача материала в насадку Пружина, удерживающая поршень Воздушная камера Давление на входе Поршень Нагреватель Насадки различных размеров Рис. 2.12. Схема струйного дозатора (Asymtek DJ-2111 Jet) Бесконтактное струйное дозирование – новейшая технология нанесения клеев на поверхность ПП. По сравнению с традиционными методами дозирования клея струйное 47 дозирование обладает большим количеством преимуществ, но оно также имеет и определенные ограничения. Устройство струйного дозатора представлено на рис. 2.13. Материал в картридже находится под давлением для подачи его в рабочую камеру дозирующей головки. Для обеспечения оптимальной и постоянной вязкости дозируемого материала рабочая камера снабжена устройством подогрева с функцией поддержания постоянной температуры. Исходное положение поршня Поршень приподнимается – клей заполняет образовавшееся пространство Поршень возвращается в исходное положение – материал наносится на ПП Рис. 2.14. Принцип действия струйного дозатора Принцип действия струйного дозатора показан на Рис. 2.14. При подъеме поршня из исходного положения происходит заполнение образовавшегося пространства клеем. Возврат поршня в исходное положение происходит с высоким ускорением, в результате чего нарушается сплошность клея и формируется доза, наносимая на ПП с расстояния 13,5 мм. Данный метод дозирования является бесконтактным, поэтому на повторяемость формы клеевых точек не оказывают влияние нарушения плоскостности ПП или различия в когезии клея и адгезии клея к ПП. Механизм дозирования позволяет наносить точно контролируемые объемы клея на ПП. Так как отсутствует перемещение по оси Z, время цикла значительно сокращено (см. Рис. 2.15). 0 мс 10 мс 20 мс 30 мс 40 мс 50 мс Рис. 2.15. Сравнение контактного и бесконтактного дозирования В отличие от традиционных систем с дозирующими иглами, для которых требуются иглы различных диаметров для нанесения точек со значительно отличающимися размерами, при струйном дозировании размер точки может быть просто увеличен путем нанесения от одной до пяти капель в одну и ту же позицию в быстрой последовательности (см. Рис. 2.16). Это существенно снижает затраты времени, имеющиеся при смене дозирующих игл или при использовании дозирующих головок, оснащенных несколькими иглами. Исключение затрат времени на вертикальное перемещение и на пребывания иглы в нижнем положении после дозирования, позволяет 48 бесконтактным системам дозирования функционировать почти с максимальной скоростью своих систем позиционирования по осям X,Y и работать в линии с высокопроизводительными автоматами установки компонентов. 1 капля 2 капли 3 капли 0603 0805 1206 Рис. 2.16. Нанесение нескольких капель в одну позицию позволяет сформировать более высокие точки Преимущества и недостатки. Струйная дозирующая головка может перемещаться над поверхностью ПП на фиксированной высоте и наносить материал без необходимости контакта с ПП. Это предоставляет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с традиционным дозированием через иглу. Так как отсутствует контакт с ПП, поддержка ПП снизу не требуется. Упрощена не только механика автомата, но также уменьшено время переналадки на новый тип ПП. Механический контакт с ПП приводит к значительной вибрации, которая должна быть погашена с помощью качественной системы поддержки ПП снизу, если целью является достижение постоянства формы точек. Струйное дозирование устраняет этот источник нарушения повторяемости. Преимущества бесконтактного струйного дозирования: • очень высокая производительность (до 300 тыс. доз/ч); • меньше время переналадки на новый тип ПП; • не требуется поддержка ПП снизу; • не требуется повторяемость обеспечения расстояния дозирующая игла – ПП; • дозирование точек больших размеров не так сильно сказывается на производительности, как для других методов дозирования; • гибкая переналадка. Область применения струйного дозирования, так же как и всех успешных новых технологий, быстро расширяется. Главное ограничение струйного дозирования – невозможность нанесения таких материалов, как паяльная паста. Частицы припоя в пасте будут “выдавлены” при ударении по ним шариком на конце поршня. Это, в конечном счете, приводит к засорению дозирующей насадки и необходимости частого вмешательства оператора. Струйное дозирование клеев быстро набирает популярность в промышленности, особенно в сфере контрактного производства с высокой производительностью и широкой номенклатурой, в которой производительность, гибкость и программируемость струйных дозаторов обеспечивает конкурентное преимущество по сравнению с затратами времени и издержками традиционных технологий дозирования. 2.4. Технологические материалы Большинство клеев, используемых при сборке ПУ по технологии поверхностного монтажа, являются эпоксидными. Эпоксидные клеи получили наиболее широкое распространение с тех пор, как были внедрены высокопроизводительные автоматы дозирования, и предприятия научились работать с материалами, имеющими относительно короткий срок годности. Как правило, эпоксидные клеи обладают превосходной адгезией к широкому спектру ПП, образуют соединения, имеющие высокую прочность и диэлектрические характеристики. Так как эпоксидные материалы являются 49 термочувствительными, их необходимо хранить в холодильнике при температуре около 5°C для обеспечения максимального срока годности. Эпоксидные клеи. Клей состоит из наполнителя, эпоксидных смол, отвердителя, корректировщиков реологии и красителей. Как правило, наполнителем является силикон, но также в качестве наполнителя могут использоваться некоторое другие диэлектрические материалы. Тепловое расширение таких наполнителей мало, а эпоксидных смол велико, поэтому комбинация этих двух материалов обеспечивает тепловое расширение близкое как к ПП, так и к компонентам. Эпоксидная смола выполняет функцию связующего вещества, соединяющего остальные компоненты клея. Это легкая жидкость, обычно бесцветная или светлокоричневого цвета. Отвердитель, как правило, – твердое вещество, расплавляющееся при некоторой температуре. Находясь в твердом состоянии, он очень слабо реагирует с эпоксидной смолой. Клей начинает отверждаться с момента изготовления и продолжает до полного отверждения, что может занять 6 месяцев, 6 дней, 6 минут или даже 6 секунд. Все зависит от скорости реакции между отвердителем и эпоксидной смолой, которая очень высока при нагревании. Клеи, предназначенные для поверхностного монтажа, должны быть легко различимы на зеленом или коричневом покрытии ПП, как визуально, так и при применении автоматического оборудования. С повышением популярности оборудования автоматической оптической инспекции, красный и желтый стали основными цветами клеев, хотя идеальный цвет клея определяется максимальной контрастностью с ПП. Эпоксидные клеи отверждаются тепловым воздействием. Минимальная температура, при которой происходит отверждение, 100°C, но на практике отверждение осуществляются при температуре от 110°C до 160°C. Отверждение при температуре, превышающей 160°C, сократит время цикла, но, весьма вероятно, приведет к образованию хрупкого соединения. Реология. Эпоксидные клеи обладают свойством, которое называется тиксотропией. Тиксотропные материалы характеризуются уменьшением вязкости при приложении нагрузки и восстановлением ее до первоначального значения по истечении некоторого времени. Благодаря этому свойству обеспечивается истечение клея из дозирующей иглы и сохранения формы точки после дозирования. 2.5. Технологические параметры дозирования 2.5.1. Общие рекомендации Технологические параметры процесса дозирования: • температура дозирования; • диаметр дозирующей иглы; • расстояние ПП – дозирующая игла; • время пребывания иглы в нижнем положении после дозирования; • высота подъема иглы после дозирования; • статическое давление на материал в картридже. Температура дозирования – очень важный параметр при дозировании клеев. Клей – вещество со сложной реологией, вязкость которого очень сильно зависит от температуры. При “комнатной” температуре в диапазоне 21-27ºС вязкость клея изменяется более чем на 30%. Поэтому очень важным является обеспечение постоянной температуры дозирования. Большинство клеев требуют температуру дозирования в диапазоне 30-35ºС. Для этого автоматы снабжаются устройствами подогрева и поддержания постоянной температуры клея. Необходимо отметить, что при повышении температуры выше 40ºС необратимая реакция полимеризации клея ускоряется. 50 Диаметр дозирующей иглы определяет минимальный диаметр точки. Точку диаметром менее диаметра иглы получить нельзя. Как правило, минимальный диаметр точки составляет 1,5-2 внутренних диаметра дозирующей иглы. От расстояния ПП – дозирующая игла зависит высота точки. Это расстояние обеспечивается различными способами. Самый распространенный – снабжение иглы ограничителем, который при дозировании упирается в ПП, и таким образом необходимое расстояние обеспечивается механически. Надо заметить, что в этом случае точки получаются примерно одной высоты вне зависимости от объема дозы. Поэтому при необходимости иметь на ПП точки разной высоты дозирующая головка должна предусматривать возможность установки нескольких картриджей. Слишком малое расстояние. В результате загрязняется игла, увеличивается площадь смачивания клеем иглы, и образуются тяжи Слишком большое расстояние. В результате уменьшается площадь точки на плате, что приводит к уменьшению адгезии, силы которой становится недостаточно для отрыва клея от иглы. В итоге – тяжи. Рис. 2.17. Влияние высоты дозирования на формирование тяжей Другая возможность регулировать расстояния ПП – дозирующая игла – использование датчиков (либо с механическим щупом, либо лазерных), определяющих высоту ПП перед нанесением точек. Время дозирования должно быть достаточным для обеспечения хорошего контакта между материалом и ПП и формирования точки нужного объема. Увеличение времени пребывания иглы в нижнем положении после дозирования позволяет обеспечить нужный объем дозы при дозировании вязких материалом и свести к минимуму вероятность образования тяжей. С другой стороны увеличение этого времени резко снижает производительность дозатора. 51 Рис. 2.18. Правильная (слева) и недостаточная (справа) высота подъема иглы после дозирования Правильно выбранная высота подъема иглы после дозирования обеспечивает плавное окончание течения материала и хорошую форму точки (см. Рис. 2.18). Слишком большая высота подъема снижает производительность. Статическое давление на материал в картридже – параметр, относящийся к шнековым и поршневым дозаторам. Это давление должно быть достаточным для обеспечения непрерывной подачи материала в шнековую камеру. В случае дозирования клея оно составляет примерно 0,9 бар, пасты – 0,25 бар. Как видно, на процесс формирования клеевых точек оказывает влияние большое количество факторов, многие из которых являются взаимозависимыми. Кроме отмеченных на качество точек влияет материал и состояние поверхности ПП, на которую наносится точка. Плохая адгезия клея к ПП может привести к образованию тяжей или уменьшению прочности соединения после отверждения. В практике бывают случаи плохой адгезии клея к компонентам. В результате после отверждения клея компоненты практически не удерживаются на своих местах. Часто у пользователей возникает вопрос относительно количества точек под определенные компоненты, например, под SOT23. Основной критерий – прочность соединения, которая зависит от адгезии клея к ПП и компонентам. Иногда требуемую прочность можно обеспечить одной точкой, иногда нет. Поэтому в каждом отдельном случае необходимы испытания. Под компоненты типа SOD80, который относится к наиболее критичным компонентам с точки зрения прочности клеевого соединения, рекомендуется наносить одну точку. При нанесении двух точек возможно возникновение дефектов типа «надгробие» при пайке волной. 2.6. Критерии качества. Дефекты дозирования и способы их устранения В данном разделе речь пойдет о критериях качества дозирования клея как под чипкомпоненты, так и под микросхемы. Также будут рассмотрены основные дефекты дозирования и указаны типичные причины их возникновения 2.6.1. Критерии качества Пример качественной клеевой точки показан на Рис. 2.19. Рис. 2.19. Качественная клеевая точка 52 Предпочтительное дозирование. Схемы и пример предпочтительного дозирования клея приведены на Рис. 2.20 и Рис. 2.21. Если используется одна клеевая точка, то она должна находиться по центру приклеиваемого компонента. Фиксация более крупных компонентов производится с помощью нескольких точек. Рис. 2.20. Схемы предпочтительного дозирования Рис. 2.21. Пример предпочтительного дозирования Допустимое дозирование. Допустимо смещение клеевой точки относительно центра компонента и выход клея за пределы компонента. Однако при этом клей не должен загрязнять контактные площадки. Рис. 2.22. Схемы допустимого дозирования Рис. 2.23. Пример допустимого дозирования Недопустимое дозирование. Недопустимо загрязнение клеем контактной площадки (см. Рис. 2.24 и Рис. 2.25). На Рис. 2.24 (справа) также показан результат дозирования слишком большей точки – поднятие компонента с одной стороны. Рис. 2.24. Схемы недопустимого дозирования Рис. 2.25. Пример недопустимого дозирования 53 2.6.2. Дефекты • • • • Наиболее распространенные дефекты дозирования таковы (см. Табл. 2.1): тяжи (см. Рис. 2.26); отсутствие точки; дозы разного размера; образование пустот. Рис. 2.26. Тяж Наличие тяжа может привести к загрязнению контактной площадки (см. Рис. 2.27) и образованию некачественного паяного соединения. Во избежание этого клей должен легко и быстро отделяться от дозирующей иглы. Однако даже клеи, предназначенные для нанесения с помощью высокопроизводительных дозаторов, могут образовывать тяжи, если технологические параметры дозирования заданы неверно. Вероятность возникновения тяжей высока, если дозируемый объем клея слишком мал для используемой иглы и расстояния ПП – дозирующая игла, что приводит к образованию слишком высоких и тонких точек. Применение иглы с большим диаметром или уменьшение расстояния ПП – дозирующая игла может решить проблему. Но образование тяжей может также быть вызвано несколькими причинами, не связанными с клеем: короблением ПП, плохой адгезией клея к материалу платы, недостаточной поддержкой ПП и некоторыми другими. Смещение иглы относительно ПП Рис. 2.27. Образование тяжа, приводящее к загрязнению ПП При отсутствии точек клея компоненты не будут установлены на ПП. Как правило, к отсутствию точки приводит загрязнение дозирующей иглы, применение иглы слишком малого диаметра либо недостаточное время дозирования. Рис. 2.28. Образование пустот 54 Многие клеи имеют тенденцию к поглощению влаги, что приводит к образованию пустот. На Рис. 2.28 приведен пример образования пустот в клеевой точке под чипконденсатор 0805. Поглощение влаги снижает адгезию, причем снижение зависит от времени, в течение которого клей подвергался воздействию окружающей среды, и относительной влажности. В худшем случае из-за наличия пустот в клеевой точке припой может образовать электрическое соединение между контактными площадками, что попросту закоротит компонент. Дефекты Дозы Типичные причины Образование Отсутствие разного Тяжи возникновения дефектов пустот точки размера Низкая температура клея ● Слишком малый диаметр иглы ● ● Слишком малое расстояние ПП – ● дозирующая игла Слишком большое расстояние ПП – ● дозирующая игла Слишком малое пребывание иглы в ● ● нижнем положении после дозирования Слишком малая высота подъема иглы ● после дозирования Слишком малое время дозирования ● Слишком большое время дозирования ● Абсорбция влаги ● Поглощение воздуха ● Испарение растворителя ● Табл. 2.1. Основные дефекты и причины их возникновения Причиной большого количества потерь компонентов при пайке волной может быть недостаточное время отверждения клея. Неполностью отвержденный клей обладает практически такой же прочность при комнатной температуре, что и полностью отвержденный, однако при повышении температуры его прочность существенно падает. Кроме того, некоторые клеи химически взаимодействуют с флюсами на спиртовой основе, что также ведет к снижению прочности соединения. При этом у неполностью отвержденных клеев химическая стойкость снижается. 2.7. Дозирование паяльной пасты Чаще всего паяльная паста наносится методом трафаретной печати, позволяющим сформировать отпечатки пасты на всех контактных площадках ПП за один рабочий ход (см. соответствующий раздел). Однако изготовление трафарета экономически не оправдано при малых размерах партии изделий. В таких случаях дозирование представляет особый интерес. Главным недостатком дозирования является большое время цикла, зависящее от типа и количества компонентов. Но это не критично при малых партиях изделий. Область применения дозирования паяльной пасты с применением автоматических дозаторов: • многономенклатурное мелкосерийное производство; • выборочное нанесение паяльной пасты (дополнительные точки); • нанесение паяльной пасты в отверстия для монтажа выводных компонентов. С помощью автоматических дозаторов можно наносить пасту для компонентов с шагом выводов до 0,65 мм. При дозировании пасты диаметр иглы выбирается в зависимости от размера частиц пасты. Диаметр иглы должен быть в 7-10 раз превышать 55 средний размер частиц пасты. В противном случае дозирующая игла может быть закупорена через несколько секунд после начала дозирования. Необходимо также учесть, что при дозировании пасты производительность автомата резко снижается, т.к. для формирования дозы пасты требуется значительно большее время, чем для клея. Основные характеристики доз пасты таковы: масса, форма, положение относительно контактной площадки. Данные характеристики зависят от параметров автомата и пасты. Для дозирования это сводятся к следующим требованиям: • по отношению к количеству пасты: чтобы паяное соединение содержало достаточное количество припоя, масса дозы пасты должна составлять от 0,22 мг (для микросхем с шагом выводов 0,65 мм) до 1,16 мг (для SOT-223). Разброс массы доз должен лежать в пределах 25%. • по отношению к форме доз: в целях минимизации количества паяльной пасты, попадающей за пределы контактной площадки, отношение массы дозы к ее диаметру должно быть около 0,5 мг/мм для малых доз (0,2-0,35 мг) и около 1 мг/мм для крупных доз (0,35-1,1 мг). • по отношению к положению: по крайней мере, половина дозы должна находиться на контактной площадке. Рис. 2.29. Примеры дозирования пасты Как правило, для дозирования пасты используются пневматические и шнековые дозаторы, принцип работы которых уже был описан выше. Перейдем к рассмотрению особенностей применения данных дозаторов при работе с пастами. 2.7.1. Параметры дозирования под некоторые компоненты В Табл. 2.2 приведен обзор некоторых характеристик доз, нанесенных на контактные площадки под разные компоненты, диаметр иглы и время дозирования. Диаметр дозы определялся как максимальный линейный размер. Диаметр иглы, мм Время дозирования, мс Кол-во доз на КП Масса дозы, мг Диаметр дозы, мм Диаметр иглы, мм Время дозирования, мс Nmelf R Mmelf R Диаметр дозы, мм Trimpot 3 Шнековые дозаторы Масса дозы, мг R0402 C0603 R1206 C1210 Tant-C Пневматические дозаторы Кол-во доз на КП Тип компонента (шаг выводов, мм) 1 1 2 3 4 2 1 1 1 0,28 0,50 0,46 0,88 0,78 0,77 0,85 0,77 0,89 0,63 0,82 0,78 1,04 0,98 0,98 1,02 0,98 1,04 0,34 0,42 0,34 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 56 52 90 88 79 78 85 78 89 1 1 2 3 4 2 1 1 1 0,24 0,51 0,47 0,90 0,80 0,80 0,90 0,80 0,90 0,61 0,85 0,81 1,10 1,03 1,03 1,10 1,03 1,10 0,34 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 40 43 39 104 86 86 104 86 104 56 SOD80 SOT23 SOT89 SOT223 QFP100 (0,65) QFP48 (0,75) SSOP20 (0,65) SO28 (1,27) PLCC68 (1,27) 2 1 4 1 3 1 0,62 0,67 0,89 0,89 1,13 1,09 0,90 0,93 1,04 1,04 1,13 1,12 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 63 68 89 89 112 108 2 1 4 1 3 1 0,64 0,70 0,90 0,90 1,14 1,14 0,93 0,98 1,10 1,10 1,22 1,22 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 0,42 54 62 104 104 167 167 2 0,28 0,63 0,34 52 2 0,23 0,60 0,34 38 3 0,28 0,63 0,34 52 3 0,23 0,60 0,34 35 1 0,28 0,63 0,34 52 1 0,22 0,58 0,34 38 1 0,51 0,80 0,34 100 2 0,26 0,63 0,34 43 2 0,38 0,72 0,34 73 2 0,39 0,72 0,34 73 Табл. 2.2. Данные о дозировании пасты под некоторые компоненты (КП – контактная площадка) Пользуясь библиотекой компонентов, можно составить рабочую программу дозирования на конкретную ПП. Это должно производиться в соответствии со следующими правилами: • дозы наносятся по центру контактных площадок за исключением микросхем с шагом выводов 0,65 мм, на контактные площадки под которые паста дозируется в шахматном порядке. Если на контактные площадки под микросхему наносится по одной дозе, ее следует располагать под пяткой вывода, что позволяет получить наиболее качественные паяные соединения; • дозы предпочтительно наносить вдоль контактных площадок, чтобы ограничитель упирался в контактную площадку. Когда ограничитель не касается контактной площадки, а упирается в ПП в месте отсутствия площадки, дозы будут незначительно больше; • рабочая программа должна быть составлена в такой последовательности, чтобы ни игла, ни ограничитель не контактировали с предварительно нанесенными дозами. 2.7.2. Дефекты Как показали испытания, все дефекты при использовании пневматических дозаторов с иглой 0,34 мм вызваны большим разбросом массы малых доз. Для слишком крупных доз наблюдалось образование перемычек пасты, возникающих после установки компонентов, часто приводящих к образованию перемычек припоя. В случае образования перемычек, на выводах, расположенных в конце ряда, имеется недостаточное количество припоя, или он практически полностью отсутствует. Слишком малые дозы приводят к образованию паяных соединений с недостаточным количеством припоя или даже к отсутствию электрического контакта. При испытаниях шнековых дозаторов с иглой 0,34 мм дефекты были распределены следующим образом: • 69% дефектов (отсутствие или недостаточное количество припоя) было вызвано закупориванием иглы; • 15% дефектов (отсутствие или недостаточное количество припоя, образование перемычек) произошло по причине возникновения воздушных пузырей; • 16% дефектов заключалось в возникновении перемычек припоя между выводами одного конкретного компонента (Smini6p), для которого количество паяльной пасты должно быть снижено. Как правило, при дозировании пасты необходимо обращать внимание на следующие моменты: 57 • • закупоривание дозирующей иглы. Чтобы избежать дефектов пайки, необходим контроль оператором или наличие инспекционной системы. Закупоривание – опасное явление, ассоциируемое с дозированием; оно служит причиной многих дефектов, таких как отсутствие точки, слишком малый или большой размер точки, образование перемычек пасты; воздушные пузыри могут являться причиной многих дефектов пайки. Чтобы избежать проблем, должны использоваться картриджи без воздушных пузырей и перед заменой картриджа или иглы должна производиться очистка системы. Кроме того, система дозирования должна быть сконструирована таким образом, чтобы избежать попадания воздуха в пасту. 2.8. Литература 1. Issues for the practical production use of dispensing technologies. Frank Murch, Douglas Dixon, Maurice Davis III, Universal Instruments, GDM Product Team, Binghamton, NY, USA 2. R. J. Klein Wassink, M. M. F. Verguld. Manufacturing Techniques for Surface Mounted Assemblies. – Electrochemical Publications Ltd., 1995 3. Working with Surface Mount Adhesives. Chris Marinelli, Dr. Barry Burns 4. Process-Guideline for dispensing chipbonder. Josef Schneider, Matthias Mai. – Loctite Research, Development & Engineering, April 2000 58 3. Установка компонентов 3.1. Описание принципа работы автоматов установки ПМИ В условиях единичного и мелкосерийного производства для установки ПМИ используются манипуляторы и полуавтоматы. Манипулятор – простейшее устройство, оснащенное вакуумным пинцетом, который может перемещаться оператором по осям X, Y, Z и вращаться для обеспечения возможности правильной ориентации компонента. Вакуум в пинцете включается при захвате компонента и отключается при его установке автоматически. Производительность, которую можно обеспечить манипулятором, определяется опытом оператора и составляет от 150 до 600 комп./ч. Оборудование Технологические параметры Скорость Способ центрирования компонента Автомат Уровень вакуума при захвате установки установки компонентов Высота захвата компонента Питатели Качество Усилие прижима Вакуумные захваты установки Обучение компонентов Платы Температура Полномочия Компетентность Компоненты Материалы Окружающая среда Персонал Рис. 3.1. Факторы, влияющие на качество установки компонентов Полуавтомат позволяет несколько повысить производительность (до 900 комп./ч) и исключить ошибки, связанные с неправильно установленными и неправильно ориентированными компонентами. Это достигается за счет использования специального ловителя, перемещающегося под управлением программы. При установке компонента оператор вставляет центрирующий штырь, закрепленный на установочной головке, в кольцо ловителя, в результате чего компонент, захваченный вакуумным пинцетом, может быть установлен точно на требуемую позицию. Захват компонента с неправильного питателя исключается, т.к. в этом случае в пинцете не включается вакуум. В крупносерийном и массовом производстве для установки компонентов используются автоматы поверхностного монтажа. Принцип работы автомата установки следующий (см. Рис. 3.2). В автомат по конвейеру поступает ПП и фиксируется в нем тем или иным образом. Для того чтобы точно установить компоненты в заданные места, автомат должен определить местоположение ПП. Для этого автоматы оборудуются камерой, с помощью которой производится считывание специальных маркеров – реперных знаков, нанесенных на ПП. Наличие реперных знаков – обязательное условие для ПП, подлежащих автоматической сборке. Автомат считывает реперные знаки и определяет реальное положение ПП в автомате. Алгоритмы, использующиеся в автоматах, позволяют определить не только линейное и угловое смещение, но и скомпенсировать нелинейные искажения рисунка ПП. С помощью трех реперов можно скорректировать погрешности изготовления ПП, выражающиеся в отклонении от ортогональности – наклон осей. С помощью четырех реперов могут корректироваться погрешности, связанные с нелинейным искажением фотошаблона при изготовлении ПП. 59 Центр ир. ПП Устан. головка Конвейер Подвод компоненто в Центрир. компонентов Станина Робот Рис. 3.2. Общая схема автомата установки ПМИ После того как положение ПП определено, начинается собственно процесс установки. С помощью вакуумных захватов автомат по программе забирает компоненты из питателей – устройств, служащих для подачи компонентов. Захватить компонент абсолютно точно по центру нельзя, поэтому после захвата производится центрирование компонента. Вообще говоря, центрирование в буквальном смысле этого слова современные автоматы не производят. Этот термин связан с предыдущим поколением автоматов установки, когда компоненты с помощью механических устройств различного типа (например, центрирующих цанг) физически центрировались на захвате. В современных автоматах применяются различные оптические системы центрирования – СТЗ, с помощью которых определяется линейное и угловое смещение компонента на захвате, и это смещение учитывается при установке. После того как компонент отцентрирован, производится его установка. Современные автоматы позволяют программно регулировать усилие прижима при установке компонентов. Как правило, для увеличения производительности современные автоматы оборудуются несколькими захватами для одновременного забора и установки сразу нескольких компонентов. 3.1.1. Типы СТЗ Существует несколько типов СТЗ: • на основе ПЗС-камеры; • на основе ПЗС-камеры с линейной матрицей; • на основе лазера. СТЗ на основе ПЗС-камеры (Рис. 3.3) реализуют способ центрирования Stop&Go. Это самый точный, но и самый медленный способ центрирования. Захваченный головкой компонент перемещается к камере. Головка останавливается, и распознавание компонента производится в статическом режиме. После распознавания головка перемещается к ПП, и компонент устанавливается. Таким образом центрируются компоненты, требующие особой точности установки. 60 Рис. 3.3. ПЗС-камеры для центрирования компонентов СТЗ на основе камеры с линейной матрицей (Рис. 3.4) позволяет центрировать компоненты на лету во время прохождения установочного модуля над камерой. Момент считывания изображения синхронизирован с сигналом обратной связи с осей перемещения установочного модуля. Таким образом изображение на камере ставится в соответствие компоненту на определенной головке. Рис. 3.4. Камера с линейной матрицей, центрирующая компоненты на лету Рис. 3.5. Центрирование компонентов лазером Центрирование лазером – самый быстрый способ центрирования, поскольку оно производится в процессе перемещения установочного модуля от позиции захвата компонентов к ПП. Однако таким способом можно центрировать только простые и небольшие компоненты, причем только по корпусу. Выводы не только не распознаются, но и мешают распознаванию компонентов. Работает эта система следующим образом. После захвата компонент поворачивает до тех пор, пока размер тени, отбрасываемой этим компонентом на приемник, не достигнет минимума. Так как системе известно положение центра вакуумного захвата, то она может определить смещение компонента относительно 61 центра захвата по ширине компонента, соответствующей минимальной отбрасываемой тени. Затем компонент поворачивается на 90º, и определяется смещение компонента относительно центра захвата по длине. СТЗ оборудуются различными системами освещения. Освещение сверху позволяет получить проекцию компонента на камере и используется для распознавания компонентов в корпусе TSOP, QFP, но непригодно для компонентов с выводами под корпусом – BGA, CSP. В этом случае используется освещение сбоку и снизу. Современные автоматы позволяют производить подсветку компонентов под различными углами и с регулируемой яркостью, что обеспечивает высокое качество распознавания. 3.1.2. Типы питателей Существует большое количество разнообразных типов питателей, однако наиболее широко используются питатели из ленты, кассет, кассет с россыпью, матричных поддонов, которые будут рассмотрены ниже. Питатели из ленты. Около 80-90% всех ПМИ поставляется в упаковке в ленту. Питатели из ленты подразделяются на пневмомеханические (см. Рис. 3.6) и электронные. Электронные питатели, в свою очередь, бывают одинарные и двойные (см. Рис. 3.7). Двойные электронные питатели позволяют подавать компоненты из двух лент, используя при этом одно посадочное место. Одна катушка с лентой содержит, как правило, 2000-10000 компонентов. В стандарте Международной электротехнической комиссии IEC 286-3 определены следующие значения ширины ленты: 8, 12, 16, 24, 32, 44 и 56 мм. Рис. 3.6. Пневмомеханический питатель из ленты Рис. 3.7. Двойной электронный питатель из ленты Питатели из кассет. В данном случае компоненты упаковываются в кассеты, имеющие форму трубок, в которых компоненты располагаются друг за другом. Соответствие поперечного сечения кассеты размерам компонента гарантирует правильную ориентацию компонентов в кассете. Основные недостатки питателей из кассет таковы: • количество компонентов в кассете ограничено, поэтому необходимо производить частую смену кассет; • компоненты в кассете касаются друг друга. 62 Рис. 3.8. Ременной питатель из кассет Рис. 3.9. Вибропитатель из кассет Для подачи компонентов из упаковки в кассеты могут использоваться ременные (см. Рис. 3.8) и вибропитатели (см. Рис. 3.9). Они совместимы с автоматами с пневмомеханическими и электронными питателями. Питатели из кассет занимают несколько посадочных мест в зависимости от ширины питателя. Количество ручьев с компонентами зависит от типа подаваемых компонентов. Питатели из кассет с россыпью. Как правило, питатели такого типа, используются для подачи чип-конденсаторов, чип-резисторов и компонентов в корпусах melf. Эти компоненты характеризуются простотой конструкции и наличием нескольких осей симметрии. К тому же они устойчивы в работе и имеют низкую вероятность повреждения. Достоинства питателей из кассет с россыпью: • недорогая упаковка компонентов (нет необходимости использования дорогой ленты); • большое количество компонентов в кассете; • отсутствие отходов, таких как пустая лента и покровная лента; • легкое пополнение камеры питателя. Однако такие питатели обладают и рядом недостатков: • более сложная проверка компонентов; • большая чувствительность к повреждениям; • риск повреждения компонентов; • возможность использования для подачи ограниченного спектра компонентов; • риск пылеобразования, что может отрицательно сказаться при пайке. Питатель из кассет с россыпью (см. рис. 1.9) занимают одно посадочное место, что, безусловно, является большим преимуществом. Питатель сконструирован таким образом, чтобы обеспечить максимальную надежность подачи компонентов, а также снабжен автоматическим определением наличия компонента. Смена кассет может производиться без остановки автомата. Рис. 3.10. Питатель из кассет с россыпью Питатели из матричных поддонов. Питатели из матричных поддонов используются для подачи больших микросхем, обычно имеющих выводы с четырех сторон корпуса, например, QFP. Поддон – пластиковый держатель, имеющий полости, 63 расположенные в матричном порядке, в каждой из которых содержится по одному ПМИ. Матричные поддоны устанавливаются на лотки, представляющие собой стальные пластины. Достоинство питателей из матричных поддонов в том, что все ПМИ упакованы отдельно. Кроме этого, жесткая упаковка исключает изгибания, имеющие место при использовании питателей из ленты. Недостатки таковы: • относительно малое количество ПМИ в поддоне, поэтому требуется частая смена поддонов; • более дорогая упаковка (иногда многоразового использования); • поддоны требуют аккуратного обращения, так как компоненты сместятся, если поддоны будут подвергнуты ударному воздействию, что может привести к неправильному захвату или повреждению выводов компонентов. С автоматами могут быть использованы различные типы питателей из матричных поддонов: внутренний, ручной, автоматический питатель, питатель из матричных поддонов JEDEC. Внутренний питатель из матричных поддонов (см. Рис. 3.11), устанавливаемый между задней базой питателей и задней направляющей конвейера, позволяет подавать компоненты из одного или двух поддонов. Немаловажно, что данный питатель не сокращает количество посадочных мест под питатели из ленты. Рис. 3.11. Внутренний питатель из матричных поддонов Оборудование автомата ручным питателем из матричных поддонов (см. Рис. 3.12) – недорогое средство обеспечения возможности подачи компонентов из такой упаковки. Данный питатель предназначен для установки на заднюю базу питателей, с которой он может быть быстро демонтирован в случае необходимости. Рис. 3.12. Ручной питатель из матричных поддонов 64 Рис. 3.13. Автоматический питатель LCS Вместимость автоматического питателя LCS (см. Рис. 3.13) составляет 120 матричных поддонов, замена которых может производиться без остановки автомата. Питатель оборудован встроенным инспекционным конвейером, позволяющим проводить визуальный контроль ПП. Компоненты из матричных поддонов с помощью двойного челнока доставляются в зону захвата. Дополнительным преимуществом питателя такого типа является то, что он не ограничивает максимальную ширину ПП и количество посадочных мест под питатели. Питатель из матричных поддонов JEDEC (см. Рис. 3.14) обладает вместимостью до 20 высоких или 30 низких поддонов. Он позволяет проводить замену поддонов без остановки автомата, а, кроме того, быстро демонтируется с задней базы питателей. Рис. 3.14. Питатель из матричных поддонов JEDEC 3.1.3. Типы приводов В автоматах установки компонентов используются три типа приводов: • приводы с ременной передачей; • приводы с шариково-винтовыми парами; • приводы с линейным двигателем. Приводы с ременной передачей. Преимущества таких приводов – это простота и дешевизна, главные недостатки – пониженная точность из-за люфтов и растяжения ремня и относительная недолговечность. К тому же существует необходимость использования дополнительного оборудования для контроля натяжения ремня. 65 Рис. 3.15. Привод с ременной передачей Приводы с шарико-винтовыми парами. Данные приводы обладают массой достоинств, включающих в себя высокую точность и надежность, высокую нагрузочную способность и осевую жесткость. Приводы с шарико-винтовыми парами характеризуются большой долговечностью и высоким коэффициентом полезного действия (85-90%). Также они имеют плавный ход и зарекомендовали себя как надежные устройства при работе на высоких скоростях. Рис. 3.16. Привод с шарико-винтовой парой Длинная и сложная цепь преобразования вращательного движения двигателя в поступательное движение исполнительного механизма – недостаток приводов такого типа. Кроме того, люфты оказывают влияние на точность позиционирования, которая также снижается из-за износа. Отметим, что на точность влияют и температурные деформации валов. Приводы с шарико-винтовыми парами обладают большей стоимостью, чем приводы с ременной передачей. Приводы с линейными двигателями. Принципиальное отличие приводов с линейными двигателями от приводов других типов в отсутствии преобразования вращательного движения в поступательное. Более того, за счет отсутствия люфтов достигается очень высокая точность позиционирования исполнительного механизма. Отсутствие изнашивающихся узлов – следующее немаловажное достоинство таких приводов. Единственный недостаток приводов с линейными двигателями – это их высокая цена. 66 Рис. 3.17. Направляющая привода с линейным двигателем На Рис. 3.18 приведено сравнение динамических характеристик привода с шариковинтовой парой и с линейным двигателем. Очевидно, что по этой характеристике приводы с линейным двигателем превосходят приводы с шарико-винтовой парой, которые имеют довольно широкую зону нечувствительности. Рис. 3.18. Сравнение динамических характеристик привода с шарико-винтовой парой и с линейным двигателем 3.2. Классификация автоматов установки ПМИ Классификация автоматов установки ПМИ может быть проведена по нескольким признакам: 1. по принципу действия (см. Табл. 3.1): • по движению ПП: o по X; o по Y; o по X,Y; o ПП неподвижна; • по количеству ПП в рабочей зоне автомата: o одна; o две; o больше двух; 2. по производительности: • начального уровня (до 4000 комп./ч); • среднепроизводительные (4000-10000 комп./ч); • высокопроизводительные (10000-20000 комп./ч); 67 • сверхвысокопроизводительные (более 20000 комп./ч); 3. по точности: • прецизионные; • высокопрецизионные; 4. по типу приводов: • с ременной передачей; • с шарико-винтовыми парами; • с линейным двигателем; 5. по типу станин: • сборные; • сварные; • литые. Количество ПП в рабочей зоне автомата ПП движется 1 2 >2 по X Схема X-1 по Y Схема Y-1 Схема Y-2 по (X,Y) Карусель Один портал 1 Один портал 2 Захват и установка ПП неподвижна Два портала 1 Два портала 2 сразу нескольких компонентов Роторная головка 1 Роторная головка 2 Табл. 3.1. Классификация автоматов установки ПМИ по принципу действия 3.3. Характеристика каждой из схем автоматов 3.3.1. Схемы автоматов с раздельным перемещением (X-1, Y-1, Y-2) Возможность оснащения большим числом питателей и одновременный захват и установка компонентов – достоинства автоматов с раздельным перемещением. Данная конструкция обладает повышенной жесткостью, так как и ПП, и головки перемещаются только по одной оси. Как правило, такие автоматы оборудуются сервоприводом по одной оси. Дополнительное преимущество схемы Y-1 заключается в расположении питателей с одной стороны автомата. Отметим, что центрирование компонентов осуществляется на лету, что не требует дополнительных затрат времени. Y1 Y2 X Рис. 3.19. Схема X-1 • • • • Недостатки, свойственные автоматам с раздельным перемещением: большой ход портала; подвижная ПП; громоздкость; коррекция захвата возможна только с использование интеллектуальных питателей. 68 X2 X1 Y Tцикла Захват Захват Установка Рис. 3.20. Схема Y-1 и временная диаграмма Производительность, комп./ч На Рис. 3.21 показана зависимость производительности автомата, построенного на схеме Y-1, от числа головок для различных максимальных скоростей по Y, а на Рис. 3.22 – от ускорения. Из графиков видно, что количество головок на установочном модуле оказывает большее влияние на производительность, чем скорость и ускорение. Это объясняется тем, что высокая максимальная скорость полезна только в случае большого расстояния между позициями захвата и установки компонента. Во время захвата и установки компонента эта максимальная скорость достигнута не будет. Большое значение ускорения вносит только частичный вклад, так как допустимые уровни ускорения, действующего на ПП, значительно ограничены необходимостью снижения риска смещения предустановленных компонентов. 25000 20000 v=1.5 15000 v=2 v=2.5 v=3 10000 5000 0 2 4 6 8 10 Число головок на Y-приводе Производительность, комп./ч Рис. 3.21. Зависимость производительности от числа головок для различных максимальных скоростей по Y (Amax = 20 м/с2) 17800 17600 17400 17200 17000 16800 16600 16400 16200 15 20 30 40 Ускорение, м/с^2 Рис. 3.22. Зависимость производительности от ускорения (Vmax = 1,5 м/с) 69 Две камеры с линейной матрицей 8-16 мест 40 посадочных мест Два уст. модуля с 12-ю головками Автоматическая регулировка ширины конвейера 8-16 мест 40 посадочных мест Рис. 3.23. Схема Y-2. GEM Sapphire Существует несколько факторов, снижающих производительность автоматов с раздельным перемещением: затраты на вход/выход и центрирование ПП, ограничения со стороны топологии ПП (расстояние между компонентами и количество устанавливаемых компонентов). В число этих факторов входят изменение расстояния между зоной захвата и зоной установки, затраты времени на смену захватов, а также повторный захват компонентов. 3.3.2. Схема автоматов с установочным модулем карусельного типа Захват Выбор насадки Центрирование Установка Сброс Рис. 3.24. Схема автомата с установочным модулем карусельного типа Данный принцип наиболее часто используется в высокопроизводительных автоматах установки чип-компонентов. Как правило, автоматы оборудуются 12-24 установочными головками, каждая из которых оснащена тремя-шестью вакуумными захватами с возможностью смены на лету. Захват компонентов из подвижной базы питателей осуществляется одновременно с установкой компонентов на ПП с противоположной стороны карусели (см. Рис. 3.24). ПП фиксируется на подвижном по осям X и Y рабочем столе, перемещения которого обеспечивают требуемое позиционирование ПП для установки компонента. 70 Производительность, комп./ч Такие операции, как проверка наличия компонента, предварительный поворот, центрирование и конечный поворот производятся параллельно, между захватом и установкой компонента. В некоторых случаях использование раздельной базы питателей позволяет осуществлять захват компонентов с одной базы питателей, и параллельно с этим производить замену питателей на второй базе в целях ускорения переналадки. Автоматы с установочным модулем карусельного типа обладают рядом преимуществ: • надежные, хорошо зарекомендовавшие себя системы; • параллельный захват и установка; • высокая гибкость; • быстрая переоснастка; • центрирование компонентов без дополнительных затрат времени; • смена вакуумных захватов на лету; • высокая производительность: до 53000 комп./ч. Что касается недостатков, то это, прежде всего, подвижность питателей, что делает невозможным пополнение питателей во время работы, а также приводит к значительным вибрациям и, как следствие, неточностям. Более того, подвижность питателей делает необходимым увеличение длины автомата до размера, превышающего четыре длины базы питателей. Из-за подвижности ПП возникают инерционные усилия на ПП при установке ПМИ. Для обслуживания автоматов данного типа требуется большое число операторов, так как питатели расположены со стороны, противоположной рабочему месту операторов. Максимальная скорость пошагового перемещения карусели ограничена максимально допустимым угловым ускорением, зависящим от силы трения на захвате, препятствующей смещению компонента. Это ограничивает диаметр карусели. На практике максимально допустимое ускорение в точке контакта захвата и компонента ограничено величиной 50 м/с2. Поэтому увеличение производительности требует уменьшение диаметра карусели. 50000 40000 30000 20000 10000 0 0,005 0,01 0,02 0,03 Величина смещения ПП, м Рис. 3.25. Зависимость производительности от смещения ПП На Рис. 3.25 показано, что, если расстояние между двумя позициями установки составляет 30 мм, то это приведет к снижению производительности примерно на 50%. Установка больших и тяжелых компонентов также приведет к снижению производительности (см. Рис. 3.26). Это является доводом в пользу установки тяжелых компонентов в конце, после того, как установлены все компоненты с малыми размерами. 71 Рис. 3.26. Уменьшение скорости карусели с увеличением типоразмера компонента 3.3.3. Схемы автоматов с порталом, перемещающимся по осям X,Y (“один портал”, “два портала”) 3.3.3.1. Схемы “один портал” По этим схемам построены наиболее простые и недорогие автоматы установки компонентов. Достоинство автоматов, основанных на данных схемах, – достаточно высокая производительность при малой занимаемой площади. Установочные модули автоматов, обычно оснащенные несколькими установочными головками, перемещаются в горизонтальной плоскости по осям X,Y, в то время как головки – по оси Z и по углу. В большинстве случаев установочный модуль имеет T-привод на основе шариково-винтовой пары, однако некоторые автоматы оснащены H-приводом для повышения точности. Стоит отметить возможность коррекции позиции захвата компонента и то, что камеры для центрирования компонентов могут быть расположены с обеих сторон автомата. Конвейер для транспортировки ПП располагается по центру автомата, фиксация ПП осуществляется либо по краям, либо по базовым отверстиям. Рис. 3.27. Схема “один портал 1” Гибкость, свойственная данным схемам, позволяет осуществлять одновременный захват и установку компонентов несколькими головками, а также при необходимости производить смену вакуумных захватов на лету. Автоматы также могут оборудоваться различными камерами для центрирования компонентов и разнообразными вакуумными захватами. Большое количество питателей может быть установлено с обеих сторон автомата на базы питателей или на системы перемещения питателей. Более того, возможно оборудование автоматов питателями из матричных поддонов. Заметим, что пополнение питателей может производиться без остановки автомата. 72 Производительность, комп./ч Недостатки автоматов данного типа состоят в относительно большом времени смены ПП (2-3 с) и необходимости обслуживания с двух сторон. Некоторые автоматы оснащаются вторым установочным модулем с одним порталом для параллельной сборки двух ПП в одном автомате, причем захват компонентов осуществляется из другого набора питателей. Хотя такая конфигурация позволяет получить относительно большой съем с квадратного метра производственной площади, количество типономиналов компонентов уменьшается вдвое, и транспортировка ПП занимает больше времени. Точность ограничена сложностью коррекции захвата и установки. 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 v=1.5 v=2 v=2.5 v=3 2 4 6 8 10 Количество головок Рис. 3.28. Производительность в зависимости от количества головок Amax=20м/с2 Производительность, комп./ч Из данных, представленных на Рис. 3.28 и Рис. 3.29 можно сделать вывод, что количество установочных головок на портале имеет наибольшее влияние на производительность. Зависимость производительности от максимальной скорости и ускорения не столь существенна. Высокая скорость перемещения полезна только в случае наличия больших расстояний между позициями захвата и установки. Непосредственно во время захвата и установки компонентов максимальная скорость достигнута не будет. 7300 7200 7100 7000 6900 6800 6700 6600 6500 6400 6300 15 20 30 40 Максимальное ускорение, м/с^2 Рис. 3.29. Производительность в зависимости от ускорения с Vmax= 1,5 м/с и 4 головками 3.3.3.2. Схемы “два портала” В данном случае два портала устанавливают компоненты на одну ПП (см. Рис. 3.19). Пока один портал захватывает компоненты, другой может устанавливать компоненты, почти удваивая максимальную производительность. Однако имеется незначительный недостаток, заключающийся в сбалансированном распределении нагрузки между порталами и синхронизации перемещения порталов в целях избежания столкновения. Существуют автоматы с H-приводом для повышения точности, хотя из-за 73 вибраций, возникающих по причине перемещения другого портала, улучшение точности может не наблюдаться. Рис. 3.30. Схема “два портала 1” Производительность, комп./ч Обычно в автоматах по схеме “два портала 2” система транспортировки ПП разделена на две, каждая из которых может перемещать ПП по осям X и Y. При входе в автомат ПП, успешно прошедшие контроль, фиксируются и перемещаются в переднюю или заднюю рабочую зону, сокращая расстояние между позициями захвата и установки. Так как оба портала имеют свою отдельную рабочую область, то столкновение исключено. Автоматы с такой конфигурацией обладают максимальной производительностью до 40000 комп./ч, разделяя преимущества автоматов с одним порталом, но имеют недостатки, заключающиеся в сложной системе транспортировки ПП с большим временем цикла и некоторым снижением точности из-за вибраций, возникающих при перемещении второго портала, в момент, когда первый устанавливает компоненты. 25000 20000 15000 10000 5000 0 2 4 6 8 10 12 Количество головок Рис. 3.31. Производительность в зависимости от числа головок при Amax=20 м/с2 и Vmax=1,5 м/с 3.3.4. Схемы автоматов с роторными головками Каждый автомат состоит из двух установочных модулей, оснащенных роторами с головками с несколькими захватами. В то время как один портал осуществляет последовательный захват компонентов каждой головкой “ротора”, другой последовательно устанавливает компоненты, причем циклы захвата и установки сбалансированы для оптимальной производительности. Такая конфигурация обладает многими преимуществами, свойственными схемам “два портала”, к примеру, уменьшенной стоимостью установки компонента благодаря использованию единой станины, конвейерной системы и системы управления. Однако необходимость избегания столкновения и необходимость сбалансированного распределения рабочей загрузки делают данную конфигурацию более сложной, а вибрации и T-привод снижают точность. 74 ЦК θ Y КР X φ Z Рис. 3.32. Схема автоматов с роторной головкой (ЦК – центрирование компонентов, КР – коррекция по реперным знакам) В Табл. 3.1 сведены основные недостатки и преимущества схем “роторная головка 1” и “роторная головка 2”. На Рис. 3.33 и Рис. 3.34 показаны зависимости производительности от количества головок при заданных значениях максимальной скорости и ускорения для обеих схем. Схема Преимущества Недостатки “Роторная • Запараллеливание процессов • Повышенная сложность по головка захвата и установки сравнению с одним порталом 1” (необходимость избегать • Принцип Collect & place: столкновения) “разделение во времени” продолжительных процессов • Ограниченная точность захвата o взаимное влияние o T-привод • Высокая производительность o “Секторность” головки: на 1 м2 производственной ограниченное разрешение площади датчика положения головки • Гибкость: • Сравнительно большое время смены o автоматическая смена ПП насадок o значительное снижение o гибкость в отношении производительности при малом питателей времени цикла o гибкость в отношении транспортировки ПП o гибкость в отношении видео “Роторная • ПП и питатели неподвижны • Ограниченное качество процесса и головка (отсутствие инерционного надежность 2” воздействия на ПП) o роторные головки менее надежны • Центрирование на портале: o пошаговое перемещение отсутствие потерь времени на роторной головки вызывает перемещение компонентов к дополнительное ускорение камере насадок • Возможно пополнение o в случае поломки одной насадки питателей без остановки неисправна вся головка • Коррекция захвата самим o сложность и продолжительность автоматом (не требуются ремонта и обслуживания “интеллектуальные питатели”) 75 • • Эргономические факторы o большое расстояние между позициями захвата и установки o ограниченный доступ для ремонта o работа с двух сторон Возможна только последовательная смена насадок Производительность, комп./ч Табл. 3.2. Достоинства и недостатки схем “роторная головка 1” и “роторная головка 2” 12600 12400 12200 12000 11800 11600 11400 11200 11000 6 8 10 12 14 Количество головок Производительность, комп./ч Рис. 3.33. Производительность в зависимости от числа головок на "роторе" при Amax=20 м/с2 и Vmax=1,5 м/с (схема “роторная головка 1”) 25000 24500 24000 23500 23000 22500 22000 6 8 10 12 14 Количество головок Рис. 3.34. Производительность в зависимости от число головок на "роторе" при Amax=20 м/с2 и Vmax=1,5 м/с (схема “роторная головка 2”) 3.3.5. Схемы автоматов, захватывающих и устанавливающих сразу несколько компонентов Принцип параллельной установки компонентов, как правило, используется для крупносерийного производства. Несколько независимых головок одновременно устанавливают компоненты на ПП (см. Рис. 3.35). Если автомат оборудован 16-ю установочными модулями, каждый из которых устанавливает по одному компоненту в секунду, суммарная производительность автомата будет составлять 64000 комп./ч. Головки устанавливают компоненты на свой участок ПП по мере продвижения ПП по конвейеру. 76 Рис. 3.35. Схема автоматов, захватывающих и устанавливающих сразу несколько компонентов Преимущества автоматов данного типа таковы: • модульная конструкция; • очень высокая производительность (все действия параллельны); • очень высокий съем с квадратного метра производственной площади; • нет дополнительных затрат времени на транспортировку ПП; • малые инвестиции для повышения производительности. Однако автоматам, захватывающим и устанавливающим сразу несколько компонентов, свойственны следующие недостатки: влияние количества питателей на производительность, отсутствие возможности работы с питателями из матричных поддонов. Заметим также, что такая концепция предпочтительна, если необходимо обеспечить производительность более 25000 комп./ч. 3.4. Параметры автоматов установки ПМИ Автоматы установки ПМИ характеризуются большим числом параметров, основными из которых являются: • производительность; • точность; • повторяемость; • количество установочных головок; • количество позиций под питатели; • номенклатура устанавливаемых компонентов; • максимальные и минимальные габаритные размеры ПП. Вопроса производительности автоматов мы уже касались в разделе 3.3, в котором были приведены типичные значения производительностей автоматов, построенных на разных схемах. Также было показано, что оказывает наиболее существенное влияние на производительность. Рассмотрению реальной производительности автоматов посвящен раздел 3.7. Точность и повторяемость установки описывается в разделах 3.5 и 3.6. 3.5. Точность установки Одна из основных характеристик автоматов установки компонентов поверхностного монтажа – точность, которая обеспечивается при установке компонентов на ПП. Что же такое точность установки? Ее можно определить следующим образом. Точность установки – это величина, характеризующая отклонение установленного компонента на ПП от заданной позиции. Как следует из определения, точность установки учитывает влияние всех ошибок – ошибки позиционирования приводов, погрешности в изготовлении ПП, погрешности размеров компонентов, погрешности алгоритмов распознавания реперных знаков и компонентов и т.д. Отклонение положения компонента от заданного можно представить суммой систематической и случайной ошибки. Систематическую ошибку можно минимизировать путем калибровки. С помощью калибровки компенсируется влияние неточностей, 77 связанных с отклонениями размеров деталей автомата, погрешностей монтажа – отклонение осей от перпендикулярности, отклонение установочной головки от вертикали, радиальное биение при вращении головки и т.д. Случайная составляющая ошибки установки характеризует повторяемость (Repeatability). Для изучения случайной составляющей можно воспользоваться методами теории вероятностей. Как было отмечено выше, случайная составляющая ошибки установки – величина, на которую оказывает влияние большое количество факторов, не зависимых друг от друга. Из теории вероятностей известно, что случайная величина характеризуется функцией распределения, которая определяет вероятность попадания случайной величины в определенный интервал. Доказывается, что если на случайную величину оказывает влияние большое количество взаимонезависимых факторов и никакой из факторов не имеет решающего влияния, то эта случайная величина имеет нормальное распределение. По этой причине случайную составляющую ошибки установки можно считать распределенной нормально. Нормальное распределение можно описать функцией плотности распределения, которая выражается следующей формулой: f (x ) = 5σ -4σ -3σ 1 σ 2π e − ( x − µ) 2 2σ 2 2σ -2σ 3σ 4σ 5σ Рис. 3.36. График функции плотности нормального распределения Функция плотности нормального распределение характеризуется математическим ожиданием (средним значением μ) и среднеквадратическим отклонением (σ), определяющим рассеяние случайной величины относительно среднего значения. Вероятность попадания случайной величины, распределенной нормально, в определенный интервал характеризуется площадью, которую занимает область, ограниченная этим интервалом, под кривой плотности нормального распределения. Вероятность попадания случайной величины в интервал, ограниченный определенным количеством сигм (плюс-минус одна сигма, две сигмы и т.д.), величина стандартная и приводится в справочниках (см. Табл. 3.3). Соответственно, вероятность выхода из указанного интервала, равна 1-вероятность попадания в этот интервал. Вероятность выхода за пределы интервала, если она очень мала, часто выражается в ppm (parts per million – число исходов на миллион возможностей). Вероятность Вероятность Интервал попадания в выхода за пределы интервал интервала 78 +/-1σ +/-2σ +/-3σ +/-4σ +/-5σ +/-6σ 68,26 % 95,44 % 99,73 % 99,994 % 99,99932 % 99,9999998 % 31,74 % 4,56 % 2700 ppm 60 ppm 0,6 ppm 0,002 ppm Табл. 3.3. Вероятность попадания и выхода нормально распределенной случайной величины из интервалов, кратных среднеквадратическому отклонению σ Итак, чем большему количеству сигм соответствует интервал, тем с большей вероятностью мы попадаем в данный интервал, и, соответственно, с меньшей вероятностью выходим за пределы этого интервала. Производители автоматов характеризуют их точность, указывая предельно допустимое отклонение в функции сигм. Этот метод имеет право на существование, если допустить, что систематическая ошибка установки равна нулю или представляет собой величину, малую по сравнению со случайной ошибкой. (Заметим в скобках, что в функции сигм определяется на самом деле не точность, а повторяемость). Итак, допустим, что систематическая ошибка путем проведения калибровки автомата сведена практически к нулю. Что же означает для пользователя автомата установки, например, такая характеристика точности: 30 мкм (3σ)? Это означает, что допустимое отклонение ±30 мкм соответствует интервалу ±3σ кривой плотности нормального распределения (1σ=10 мкм). А это в свою очередь означает, что вероятность выхода за пределы интервала ±30 мкм составляет 2700 ppm (см. Табл. 3.3). Т.е. из миллиона установленных компонентов не более 2700 компонентов выйдут за пределы интервала ±30 мкм. Такой подход позволяет оценивать вероятность выхода за пределы любого интервала. Данный автомат, например, выйдет за пределы интервала ±60 мкм с вероятностью 0,002 ppm. Из всего вышесказанного следует, что указание точности автомата без привязки к сигмам не имеет смысла. Можно указать любой интервал, и, предположим, из миллиона установок обязательно найдется некоторое их количество, которое в этот интервал попадет. Если же точность привязана к сигмам, то в этом случае можно судить о том, насколько точно будет работать автомат в вероятностном смысле. Подчеркнем еще раз, что точность, указанная в технической спецификации автомата с привязкой к сигмам, относится большей частью к случайной составляющей погрешности установки. Если автомат не откалиброван, т.е. если систематическая ошибка сравнима или превышает случайную, то результат может оказаться гораздо хуже ожидаемого. В этой связи возникает вопрос, насколько автомат способен в реальных производственных условиях устанавливать реальные компоненты в пределах заданных допусков и, если способен, насколько велика вероятность выхода за пределы допуска. Т.е. насколько процесс установки воспроизводим. Существуют коэффициенты, которые определяют воспроизводимость процесса. Это индексы Ср и Срк. Индекс Ср характеризует воспроизводимость процесса и определяется отношением допустимых отклонений к естественному разбросу, определяемому как 6 сигм (±3σ). верхнееотклонение − нижнееотклонение Cp = 6σ В случае симметричного допуска Cp вычисляется следующим образом: отклонение Cp = 3σ 79 Рис. 3.37. Графическое представление индекса Ср Процесс признается воспроизводимым, если Ср=1,0. На практике воспроизводимым считается процесс с Ср>1,33. Это дает некоторую гарантию того, что по крайней мере сохранится Ср=1,0, если в процессе возникнут какие-либо дополнительные вариации, связанные, например, с раскалибровкой автомата. Очевидно, что Ср характеризует потенциальную воспроизводимость процесса, т.к. только разброс процесса соотносится с допустимыми границами (Рис. 3.37). Положение среднего не учитывается. В этом случае даже при высоком значении Ср можно получить большое количество выходов за пределы допуска, если среднее значение расположено близко к заданным границам. Рис. 3.38. Графическое представление индекса Cpk Для оценки воспроизводимости процесса с учетом среднего значения процесса (т.е. работоспособности процесса) используется индекс Cpk. Cpk определяется следующим образом: верхнееотклонение − µ µ − нижнееотклонение C Pk = min , 3σ 3σ 80 где, μ – среднее значение. Процесс считается работоспособным, если величина Cpk >1,33. Чем больше значение Cpk, тем меньше вероятность того, что процесс выйдет за заданные границы допуска. 3.6. Оценка характеристик автоматов по IPC 9850 Оценка и сравнение автоматов установки компонентов поверхностного монтажа различных производителей представляет собой непростую задачу. Производители разрабатывают собственные методики оценки таких параметров автоматов, как производительность, повторяемость, точность. В июле 2002 года вышел в свет стандарт IPC9850 Характеристика оборудования для установки компонентов поверхностного монтажа, который устанавливает единую методику оценки основных параметров автоматов. Для измерения точности, повторяемости и воспроизводимости процесса установки компонентов на плату необходимо исключить дополнительные вариации, связанные с отклонением размеров компонентов от номинальных, искажением рисунка ПП и т.д. По этой причине используются стандартизованные компоненты, которые устанавливаются на стандартные платы, покрытые клейким материалом. В качестве тестовых выбраны пять типов компонентов, представляющих собой полный спектр, устанавливаемый данным видом оборудования. Это конденсаторы типоразмера 0603, SOIC-16, QFP-100, QPF-208 и BGA-228. Конденсаторы 0603 и микросхемы SOIC-16 – реальные компоненты, тогда как QFP и BGA представляют собой стеклянные муляжи. Конденсаторы были выбраны по той причине, что по сравнению с резисторами такого же типоразмера они имеют более точную форму и размеры. Выбор микросхем SOIC-16 объясняется тем, то они хорошо характеризуют класс компонентов с большим шагом, и их может устанавливать любой автомат. Оба этих типа компонентов поставляются в ленте, что является решающим фактором. Компоненты устанавливаются на стеклянные платы, покрытые клейким материалом. Использование стеклянных плат имеет два существенных преимущества. Вопервых, стекло более стабильно по сравнению с стеклотекстолитом, который может сильно деформироваться. Во-вторых, стекло прозрачно, и при измерении точности установки компонентов на оптических микроскопах можно использовать проходящий свет для получения четкого контура компонента. Стеклянные платы и компоненты должны быть сертифицированы в международнопризнанных организациях по стандартизации. Для каждого типа компонентов используется специальные платы, на которые устанавливаются следующие количества компонентов: Стандартный компонент Количество компонентов на стандартной плате С0603 400 SOIC-16 80 QFP-100 36 QPF-208 30 BGA-228 100 Рис. 3.39. Стандартные компоненты и их количество на стандартной плате Рабочая программа генерируется с использованием стандартных CAD-данных. Для теста производитель оборудования может выбрать любой из вышеназванных компонентов и соответствующую плату. Очень существенными являются следующие два обстоятельства. Производительность автомата по этому стандарту (Net Throughput) рассчитывается не только с учетом времени, которое тратится непосредственно на сборку платы, но 81 включает в себя и время на считывание реперных знаков, транспортировку платы в рабочую зону и из рабочей зоны автомата, фиксацию и разблокирование платы в рабочей зоне. При подтверждении производительности автомат должен устанавливать компоненты с заявленной точностью. Для оценки точности используется измерительное оборудование, обладающее существенно большей точностью, чем ожидаемая точность автомата. В стандарте приведено четкое определение повторяемости – она определяется как одно среднеквадратическое отклонение ошибки установки. Стандарт рекомендует производителям характеризовать точность автоматов одним из следующих способов. Первый способ предполагает расчет допустимых отклонений отдельно для каждой оси (X, Y и углу θ) при Cpk=1,33 и Cpk=2. Cpk=1,33 соответствует вероятности выхода за пределы допуска 60 ppm, Cpk=2 – вероятности 0,002 ppm. Этот способ позволяет учесть как систематическую, так и случайную ошибку установки, и лишает производителей соблазна иметь высокий Cpk за счет нереально широких пределов допуска. Второй способ предусматривает расчет Cpk для четко установленных границ, соответствующих перекрытию контактной площадки выводом в 50% и 75%. Указанные величины перекрытия контактной площадки выводом выбраны, исходя из предельно допустимых смещений для изделий электроники класса 1,2 (перекрытие 50%) и класса 3 (перекрытие 75%) в соответствии со стандартом IPC-A-610. Этот способ учитывает совместное влияние ошибок по всем осям, т.к. смещение вывода относительно контактной площадки является результатом комбинации ошибок по X, Y и углу θ. Кроме того, остается и традиционный метод – указание точности отдельно для каждой оси автомата (X, Y, θ). В заключении отметим, что установка одного вида компонентов на плату не является идеальной моделью реальных производственных условий. Преимущества такого подхода в том, что он позволяет по единым критериям сравнить оборудование различных производителей. Точность автоматов установки, указанная в технической спецификации с привязкой к сигмам, – величина, полученная с идеальными платами и компонентами, с систематической погрешностью, близкой к нулю (на откалиброванной машине). В реальных производственных условиях на реальных компонентах и ПП точность будет отличаться от заданной. Для поддержания точности необходимо регулярное техническое обслуживание и периодическая калибровка автоматов. 3.7. Реальная производительность автоматов Производительность – одна из наиболее важных характеристик автоматов установки ПМИ. В зависимости от производительности производится выбор той или иной модели автомата с учетом требуемой программы выпуска. При этом пользователи зачастую сталкиваются с тем, что указанные в технической спецификации значения производительности на практике оказываются недостижимыми. В чем же здесь проблема? В технической спецификации на автомат, как правило, указываются два параметра: максимальная производительность и производительность по IPC9850. Максимальная производительность определяется по методике, определяемой производителем. Эту величину можно рассматривать как теоретически возможную производительность. Производительность по IPC9850 подтверждается по методике, рассмотренной выше. Эта величина служит для сравнения автоматов разных производителей. На реальную производительность, которая, как правило, составляет 50-70% от максимальной по спецификации, оказывают влияние следующие факторы: • размеры ПП; 82 • • • • • расположение компонентов на ПП; количество компонентов на ПП; количество типономиналов; наличие компонентов, критичных с точки зрения установки; наличие опций у автомата. Рассмотрим зависимость реальной производительности от каждого фактора в отдельности, так как анализ совместного влияния на производительность всех вышеперечисленных факторов крайне затруднителен. Влияние размеров ПП на производительность состоит в следующем. При сборке больших ПП время, затрачиваемое установочными головками на перемещение от позиции захвата до позиции установки, больше, чем при сборке ПП с малыми размерами. По этой причине с увеличением размеров ПП производительность снижается. Время движения установочных головок от позиций захвата к позициям установки также зависит от расположения компонентов на ПП. К примеру, если компоненты преимущественно расположены в той половине ПП, которая ближе к базе питателей (здесь имеются в виду автоматы, у которых питатели имеются только с одной стороны), то среднее время движения головки от позиции захвата к позиции установки будет меньше, чем в случае равномерного размещения компонентов по ПП. Это будет тем заметнее, чем больше размеры ПП и выше количество компонентов на ПП. Производительность Максимально достижимая производительность Количество компонентов на ПП Рис. 3.40. Зависимость производительности автомата от количества компонентов на ПП Зависимость производительности автомата от количества компонентов показана на Рис. 3.40. При относительно малом количестве компонентов на ПП производительность существенно ниже максимальной. Это объясняется тем, что затраты времени на транспортировку и фиксацию ПП в рабочей зоне автомата, считывание реперных знаков, смену вакуумных захватов и другие действия, которые непосредственно не являются установкой, сопоставимы со временем установки. С ростом количества компонентов на ПП производительность повышается и стремится к максимально достижимой. Очевидно, что это происходит потому, что время на непосредственную установку относительно большого количества компонентов много больше времени считывания реперных знаков и транспортировки ПП. От количества типономиналов во многом зависит сложность подбора оптимального расположения питателей в целях максимизации производительности. Когда количество типономиналов невелико, проще выработать такое расположение питателей, которое позволяет производить одновременный захват нескольких компонентов, имеющих близкие позиции установки на ПП и, тем самым, повысить производительность автомата. Наличие компонентов, критичных с точки зрения установки, снижает реальную производительность. Установка компонентов с малым шагом выводов, как правило, требует центрирования СТЗ на основе ПЗС-камеры, при котором необходима остановка головки с захваченным компонентом над камерой. Кроме того, обычно перемещение таких компонентов осуществляется на пониженной скорости. Если при сборке ПУ 83 производится установка большого количества типономиналов, то может потребоваться смена вакуумных захватов, которая, если не осуществляется “на лету”, приведет к увеличению времени цикла установки. Наличие опций, как правило, увеличивает реальную производительность автомата. Например, оборудование автомата дополнительной камерой для центрирования компонентов у задней базы питателей позволит исключить необходимость перемещения компонентов, захваченных с питателей, расположенных с задней стороны автомата, к камере с передней стороны. Это, естественно, приведет к повышению производительности. На сколько? В зависимости от того, какое количество компонентов, размещено на задней базе питателей. Еще один показательный пример – применение систем перемещения питателей (тележек). Данные системы позволяют заметно снизить время переналадки автомата, так как снаряжение питателей может производиться вне автомата, что сводит переналадку лишь к замене одних тележек на другие. Отметим, что описанное выше влияние различных факторов на реальную производительность не претендует на полноту, а приведенные примеры лишь иллюстрируют, как может проявляться это влияние. При работе автомат установки компонентов тратит время не только непосредственно на установку, но и на считывание реперных знаков, транспортировку ПП. Кроме этого время тратится на повторный захват компонентов, перезарядку питателей, вмешательство оператора. Коэффициент использования автомата, как правило, не превышает 0,75. Время работы Рис. 3.41. Коэффициент использования автомата Реальная производительность автомата может быть рассчитана как произведение максимальной производительности на коэффициент понижения производительности и на коэффициент использования автомата. При объединении в линию нескольких автоматов производительность линии не будет равна сумме производительностей каждого автомата. Неизбежен дисбаланс, т.е. один автомат будет загружен несколько больше другого. Вообще говоря, линии поверхностного монтажа представляют собой линии «бутылочного горлышка». Производительность линии настолько велика, насколько велика производительность самой низкопроизводительной установки. Обычно самыми «низкопроизводительными» являются автоматы установки компонентов. В этом случае повысить производительность линии можно только путем оптимизации программ и балансировки автоматов с помощью соответствующего программного обеспечения. 84 Однако в реальном производстве могут сложиться ситуации, когда «бутылочным горлышком» будет являться, например, операция нанесения пасты или пайки оплавлением. Это может произойти в случае сборки плат с очень малым количеством устанавливаемых компонентов или если соответствующее оборудование подобрано без должного запаса по производительности. В этом случае для повышения производительности должны быть исследованы соответствующие резервы, однако необходимо иметь в виду, что определяющим является качество выпускаемых печатных узлов. Существенное влияние на общую производительность линии оказывают и организационные факторы: • организация переналадок, • организация оперативного снабжения компонентами линии сборки, • организация работы операторов (своевременная подготовка питателей до, а не по факту остановки автомата) и т.д. При плохой или неправильной организации производства коэффициент использования линии может не превышать 50%. Вышеизложенные соображения приведены для того, чтобы подчеркнуть тот факт, что при оценке необходимой производительности линии следует ориентироваться не только на максимальную производительность автоматов установки компонентов, но и учитывать всю совокупность факторов, снижающих производительность. 3.8. Литература 1. A Comparison of SMD Placement Machine Concepts. Sief van Gastel, Assembleon BV 2. SMD placement. Brian Sloth Bentzen, SMT in FOCUS 3. R. J. Klein Wassink, M. M. F. Verguld. Manufacturing Techniques for Surface Mounted. Assemblies. Electrochemical Publications Ltd., 1995 85 4. Пайка оплавлением 4.1. Введение Групповая пайка компонентов, установленных на плате, в зависимости от применяемой технологии может проводиться методом оплавления паяльной пасты, волной припоя и методом селективной пайки. Для проведения пайки оплавлением используются различные способы нагрева. Самыми распространенными из них являются конвекционный нагрев, который осуществляется горячим воздухом, и ИК-нагрев. Пайка оплавлением проводится в камерных или конвейерных печах. В первом случае отработка профиля пайки осуществляется путем изменения температуры внутри камеры со временем, а во втором – перемещением платы по конвейеру через несколько зон печи – через зоны предварительного нагрева, зоны пайки и зоны охлаждения, каждая из которых имеет свою температуру. Как правило, максимальная температура пайки свинцовосодержащего припоя составляет 210-220°C. Плата находится в печи при максимальной температуре в течение нескольких десятков секунд, после чего производится ее охлаждение. В ряде случаев применяется пайка в инертной среде, при которой осуществляется впуск азота в рабочую область печи. Эта операция используется для сведения к минимуму процесса окисления. Приведем значение некоторых ключевых параметров печей конвекционного оплавления. Для конвейерных печей имеет значение ширина конвейера (до 505 мм), для камерных – площадь рабочей области (до 350x500 мм). Максимальная рабочая температура может достигать 350 °C. Количество зон колеблется от 3 зон нагрева и 1 зоны охлаждения до 12 зон нагрева и 4 зон охлаждения в больших промышленных установках. Длина печи может быть от 1 до 9 метров. Оборудование Технологические параметры Температуры в зонах нагрева и Печь охлаждения оплавления Скорость конвейера припоя Обучение Полномочия Компетентность Паяльная паста Материалы Качество пайки оплавлением Персонал Рис. 4.1. Факторы, влияющие на качество пайки оплавлением 4.2. Классификация печей оплавления по способу нагрева Классификация печей оплавления по способу нагрева приведена на Рис. 4.2. Методы нагрева Конвекция ИК-излучение Теплопроводность Конденсация Рис. 4.2. Классификация печей оплавления по способу нагрева 86 При нагреве методом принудительной конвекции перенос энергии, зависящий от скорости воздуха и его температуры, происходит на границе с поверхностью платы. Существенным преимуществом конвекционного метода нагрева является то, что максимально возможной температурой нагрева платы и компонентов является температура воздуха, что позволяет не допускать перегрева чувствительных компонентов. При конвекционном нагреве компоненты нагреваются до примерно одной и той же температуры, разница температур невелика, имеет место лишь разница во времени нагрева. Нагрев ИК-излучением характеризуется высокой интенсивностью, но его главный недостаток состоит в том, что излучение различной длины волны неодинаково нагревает разные компоненты и участки платы. Интенсивность нагрева зависит от цвета компонентов. Компоненты в темных корпусах нагреваются быстро, в светлых - медленно. В результате плата нагревается неравномерно, причем неравномерность распределения температур на различных участках платы может достигать 40˚. На плате могут возникать теневые зоны, если крупные компоненты отбрасывают тень на небольшие. Отработка режима пайки в таких печах представляет собой довольно сложную задачу. Часто в печах с инфракрасным нагревом задаются не температуры в зонах печи, а проценты мощности нагревателей. Установленные в печь термопары регистрируют температуру в рабочей зоне печи. Температура на плате может существенно отличаться от показаний термопар и неограниченно возрастать в зависимости от цвета платы. Высокая эффективность – преимущество нагрева посредством теплопроводности, но данный метод непригоден для производственных нужд из-за коробления плат и возможного наличия компонентов с нижней стороны. Метод нагрева с помощью конденсации, известный как пайка в паровой фазе, не нашел широкого применения. Этот метод заключается в том, что в зоне пайки плата попадает в среду нагретого до температуры порядка 240˚С насыщенного пара, при конденсации которого на плате выделяется теплота, достаточная для расплавления пасты. В качестве агента используются фтороуглеводороды. Недостатком данного способа является, во-первых, то, что градиент температуры в зоне пайки очень высок, и, вовторых, платы после пайки необходимо отмывать от агента. Процесс пайки в паровой фазе отличается высокой стоимостью. Такие печи не нашли широкого распространения в промышленности, и занимают вполне определенную нишу – пайка плат очень большого размера. 4.3. Профиль пайки. Требования к профилю пайки. Измерение профилей пайки 4.3.1. Профиль пайки и требования к нему На формирование температурного профиля пайки оказывают влияние следующие факторы: • паяльная паста; • технологическое оборудование; • компоненты; • печатные платы. Температурный профиль пайки состоит из четырех стадий: предварительного нагрева, стабилизации (зоны температурного выравнивания), оплавления и охлаждения (Рис. 4.3). Принято выделять традиционный и новый (линейный) профили пайки, причем принципиальными отличиями последнего от первого являются большая продолжительность стадии предварительного нагрева и более короткая стадия стабилизации, что приводит к более низкой скорости нагрева компонентов. 87 Рис. 4.3. Традиционный профиль пайки “новый” профиль пайки “традиционный” профиль пайки Рис. 4.4. Традиционный и новый профили пайки Что же имеет место в процессе пайки? Для ответа на этот вопрос рассмотрим, что происходит с паяльной пастой при нагревании, “пройдя”, таким образом, по профилю пайки. При температуре более 90°С канифоль (смола), входящая в состав пасты, начинает размягчаться, а растворитель с высокой точкой кипения начинает испаряться. Размягчение канифоли приводит к уменьшению вязкости пасты, а испарение растворителя – к увеличению вязкости. При высокой скорости нарастания температуры превалирует первый процесс, что ведет к расползанию пасты (типичный дефект в этом случае бусинки припоя по бокам чип-компонентов). При температуре порядка 150°С начинается активное испарение растворителя, максимально активизируется флюс. При температуре пайки расплавляется припой, и из отдельных шариков формируется единая масса припоя. При этом припой под воздействием сил поверхностного натяжения растекается по очищенным флюсом металлическим поверхностям. На стадии охлаждения происходит отверждение припоя и канифоли. Остановимся поподробнее на каждой из стадий. Стадия предварительного нагрева. Данная стадия необходима для снижения теплового удара по электронным компонентам и печатным платам. На этой стадии происходит испарение растворителя из паяльной пасты. Температура предварительного нагрева лежит в пределах 95-130°С, а скорость изменения температуры для традиционного профиля пайки составляет 2,0-4,0°С/сек., для нового профиля пайки – 0,61,8°С/сек. (Рис. 4.4) Заметим, что высокая скорость предварительного нагрева может 88 приводить к повреждению компонентов, разбрызгиванию шариков припоя, образованию перемычек. Однако если скорость предварительного нагрева низка, то может происходить окисление контактных поверхностей и частиц припоя. Стадия стабилизации. Эта стадия, называемая также “стадией температурного выравнивания”, позволяет обеспечить равномерное распределение температур по плате. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно. Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150°С. Рекомендуемое время стабилизации для традиционного профиля составляет 90-150 сек. (максимальное 5 мин.). Для нового типа профиля время стабилизации, равное 30 сек., считается достаточным. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает 150-170°С. Стадия оплавления. Для исключения чрезмерного роста интерметаллического соединения температура пайки должна не более чем на 30-40°С превышать точку плавления паяльной пасты. Например, для наиболее распространенных свинцовосодержащих сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37 температура пайки должна быть в пределах 205-225°С. Низкая температура пайки (195-205°С) обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для компонентов с плохой паяемостью, поэтому температуру на стадии оплавления устанавливают немного выше – в пределах 215-225°С, при скорости повышения температуры 2-4°С. Рекомендуемое время выше точки плавления составляет 30-60 сек. Для массивных плат время выше точки плавления может быть увеличено до 90120 сек. Высокая температура (240-260°С) и время пайки (более 120 сек.) способствуют росту интерметаллического соединения. Чрезмерный рост интерметаллического соединения увеличивает хрупкость паяного соединения и ухудшает его внешний вид. Стадия охлаждения. Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна быть максимальной. В тоже время высокая скорость охлаждения может вызывать термоудар по электронным компонентам. С другой стороны, медленное охлаждение может приводить к интенсивному росту интерметаллического соединения, таким образом, паяное соединение становится более твердым, но хрупким. Рекомендуется проводить охлаждение со скоростью 3-4°С/сек. до температуры ниже 130°С. Ниже 130°С скорость охлаждения может быть меньше, так как она уже не влияет ни на качество паяных соединений, ни на электронные компоненты. Таким образом, окончательный выбор режимов производится технологом исходя из конструкции и материала печатной платы, типа и размеров компонентов, количества и плотности размещения компонентов на печатной плате, а так же типа паяльной пасты. При выборе профиля пайки следует учитывать, что реальная температура на плате в процессе пайки будет ниже заданной в печи. Разница между реальной и заданной температурами в печи зависит от конструкции печи, количества слоев и размера платы, размера и плотности размещения компонентов. 4.3.2. Измерение профилей пайки Измерение температурных профилей пайки производится в соответствии со стандартом IPC-7530. Температурные профили измеряют с помощью устройств, пропускаемых через печь вместе с платой (например, ERSA Shuttle). Термопары подсоединяются к различным точкам платы. Результаты измерения температур записываются во внутреннюю память устройства. После прохождения через печь устройство измерения подключается к компьютеру, с помощью которого обрабатываются результаты измерения. Рекомендуется применять минимум две термопары, подсоединяемые к точкам, предположительно имеющим максимальную и минимальную температуру. Максимальная температура на плате наблюдается ближе к свободным краям печатной платы, а минимальная температура рядом с крупногабаритными компонентами в центре печатной платы Используются следующие способы крепления термопар к плате: 89 • подпайка высокотемпературным припоем (Рис. 4.5, а); • крепление на термопроводящий клей (Рис. 4.5, б); • крепление с помощью термоскотча (Рис. 4.5, в). Клей Припой КП КП КП Термопара а) Термоскотч Термопара Термопара б) в) Рис. 4.5. Способы крепления термопар к плате: а – подпайка высокотемпературным припоем, б – крепление на термопроводящий клей, в – крепление с помощью термоскотча Подпайка высокотемпературным припоем – это быстрый и надежный метод закрепления термопар. Этот способ обеспечивает наиболее достоверные результаты измерения температуры. При подпайке необходимо обращать внимание на то, чтобы не было нанесено слишком большое количество припоя. В этом случае измерение температуры может быть сопряжено с большой погрешностью. Недостатком крепления термопар с помощью эпоксидного клея является то, что клей должен быть отвержден до того, как плата будет использоваться для измерения. Иногда клей растекается слишком сильно или излишек клея начинает влиять на точность измерения. Крепление с помощью термоскотча – быстрый, но наименее точный способ. Достоверность измерений температуры зависит от правильного присоединения термопар. На Рис. 4.6 показаны термопары, присоединенные к компоненту QFP100 различными способами. Нагрев производился горячим воздухом с постоянной температурой. В результате проведенных измерений оказалось, что разница измеренных температур составила 24.5°! Рис. 4.6. Прикрепление термопар к микросхеме в корпусе QFP100 1. Провода термопары перекручены. В этом случае будет измеряться температура в месте первого контакта проводов. В данном случае измеряется температура окружающей среды. 2. Правильное присоединение термопары тугоплавким припоем. 3. Присоединение термопары клеем. Разница в температурах по сравнению со вторым случаем объясняется худшим термическим контактом. 90 4. Слишком много припоя. Большая погрешность из-за местного увеличения теплоемкости. 2 Ошибки при присоединении термопар 1 3 ∆T = 24,5 °C ! 4 Рис. 4.7. Результаты измерений 4.4. Технология двухсторонней пайки На практике используются три способа пайки двусторонних печатных узлов: • пайка за один этап; • пайка в два этапа; • пайка с применением клея. На компонент, расположенный с нижней стороны печатной платы, действует сила тяжести и удерживающие силы, направленные вверх и возникающие за счет сил поверхностного натяжения припоя (Рис. 4.8). На этом принципе основаны первые два способа пайки. F1 = сила тяжести F2 F2 F2 = удерживающие силы, возникающие за счет сил поверхностного натяжения припоя Компонент не падает, когда F2 > F1 F1 Рис. 4.8. Силы, действующие на компонент при двухсторонней пайке оплавлением Значения сил F1 и F2 можно рассчитать следующим образом. F1 = m * g, где, m - масса компонента, кг g - ускорение свободного падения, м/с2 F2 = σ * c * cosθ, где где, σ - поверхностное натяжение припоя = 0.4 Дж/м2, c - периметр области, которая заключает в себе паяное соединение вывода компонента, θ - угол смачивания. 91 Компонент не падает, если значение удерживающих сил превышает величину силы тяжести, т.е. если σ*c>m*g Из этой формулы в предположении абсолютной смачиваемости (θ=0) следует предельное отношение массы компонента к периметру, при котором компонент не падает: m/c < 40 мг/мм. В Рис. 4.8 приведены данные о величине m/c для некоторых компонентов. Компонент R0402 SOT23 C1210 QFP208-050 SSOP20 SOJ28 BGA400-1,27 m, мг 0,6 8 71 5220 93 1200 4273 c, мм 3 5 11 328 30 90 1014 m/c, мг/мм 0,2 1,6 6,5 16 3,1 13,3 4,2 Табл. 4.1. Характеристики некоторых компонентов Максимальное допустимое отношение m/c, при котором компонент удерживается, составляет 20 мг/мм. Как видно из таблицы, ни один из приведенных компонентов не должен упасть, будучи установленным с нижней стороны платы. В реальных производственных условиях в зависимости от состояния выводов и контактных площадок могут наблюдаться отклонения от приведенной закономерности. Из практики известно, что при двухсторонней пайке гарантированно удерживаются компоненты типоразмером до SO20 включительно. Пайка за один этап (Рис. 4.9) может быть реализована в условиях единичного и мелкосерийного производства. Ее существенный недостаток заключается в очень узком окне технологического процесса, что требует точного подбора температурного профиля для обеспечения одновременной пайки компонентов на верхней и нижней стороне печатного узла. Пасты, применяющиеся для реализации данного способа, должны обладать высокой клейкостью. Рис. 4.9. Пайка за один этап При пайке в два этапа на первом этапе происходит установка и пайка компонентов на первой стороне (Рис. 4.10). На втором этапе осуществляется установка и пайка компонентов на второй стороне (Рис. 4.11). Преимущество данного способа заключается в более широком окне процесса. Недостаток метода состоит в том, что при пайке многослойных печатных плат возможно расслоение диэлектрика в случае большой разности температур с верхней и нижней сторон печатного узла. 92 Рис. 4.10. Первый этап при пайке в два этапа Экран Рис. 4.11. Второй этап при пайке в два этапа Пайка с применением клея используется в случае нетехнологичных плат, если на обеих сторонах платы устанавливаются крупные компоненты. При этом на первом этапе происходит нанесение паяльной пасты и доз клея, установка компонентов, оплавление паяльной пасты и полимеризация клея на первой стороне (Рис. 4.12). На втором этапе происходит установка и пайка компонентов на обратной стороне (Рис. 4.13). Рис. 4.12. Первый этап при пайке с применением клея Рис. 4.13. Второй этап при пайке с применением клея Преимущество данного способа в широком окне процесса. Недостатком метода является практически полная потеря ремонтопригодности приклеенных компонентов. 4.5. Пайка в инертной атмосфере Азот используется при пайке оплавлением для удаления кислорода из зоны пайки. Это предотвращает окисление припоя, контактных площадок и выводов компонентов в процессе оплавления паяльной пасты. Преимущества использования азота в процессе пайки оплавлением являются предметом многочисленных дискуссий и зависят от множества факторов. Таких, как тип покрытия контактных площадок печатной платы, тип пасты, паяемость выводов компонентов. Существует мнение, что использование азота не улучшает качество паяных 93 соединений. В качестве аргумента приводится тот факт, что частицы паяльной пасты окисляются еще на этапе ее производства. И даже при остаточном уровне кислорода в печи 10 ppm окисление частиц пасты уменьшается только как 1:60 по сравнению с пайкой в воздухе. Тем не менее, процесс пайки в среде азота обладает рядом общепризнанных преимуществ: • более широкое технологическое окно процесса; • большее поверхностное натяжение и меньшее вторичное окисление выводов компонентов приводит к увеличению поверхности выводов компонентов, смачиваемой припоем, вплоть до 30% и обеспечивает лучшее самоцентрирование компонента в случае его установки со смещением; • меньшее вторичное окисление также увеличивает смачивание контактных площадок с покрытием NiAu или Cu; • большее поверхностное натяжение припоя уменьшает вероятность образования шариков припоя при использовании пасты с мелкими частицами припоя, имеющей большую площадь поверхности частиц, – частицы спаиваются более легко; • поверхность паяного соединения выглядит более гладкой и, в некоторых случаях, более глянцевой; • возможность использования слабо- и среднеактивированных флюсов; • более высокая надежность при пайке BGA компонентов; • благодаря большему поверхностному натяжению компоненты, обладающие большей массой и размерами, могут удерживаться на нижней стороне платы при пайке оплавлением двусторонних печатных узлов в два этапа; • меньшее повторное окисление паяных соединений на нижней стороне платы при пайке оплавлением двухсторонних печатных узлов в два этапа; • меньшее изменения цвета платы при пайке. Пайке в среде азота свойственен и ряд недостатков: • увеличение стоимости – главный недостаток; • большее поверхностное натяжение может приводить к увеличению вероятности возникновения перемычек припоя при пайке компонентов с малым шагом выводов в случае неточного нанесения паяльной пасты; • увеличение вероятности возникновения эффекта “надгробного камня”. Область применения пайки в среде азота: • пайка бессвинцовыми припоями; • пайка двухсторонних плат; • пайка компонентов с малым шагом выводов; • пайка по чистой меди. Каков максимально допустимый остаточный уровень кислорода? Это зависит от состояния печатной платы, компонентов и используемой пасты. Если контактные площадки или выводы компонентов обладают плохой паяемостью, и активность флюса мала, необходимо обеспечить низкий остаточный уровень кислорода. Остаточный уровень кислорода должен лежать в пределах 100-1000 ppm в зависимости от вышеупомянутых факторов. При использовании паяльных паст с малоактивным флюсом остаточный уровень кислорода, возможно, должен быть еще ниже. Единственный способ определения верного остаточного уровня кислорода – это проведение экспериментов при различных уровнях. Одним из вариантов может быть пайка ряда ПП с постепенным сокращением остаточного уровня кислорода с последующим визуальным контролем сформировавшихся паяных соединений. Такой эксперимент подскажет максимально допустимый остаточный уровень кислорода. Визуальный контроль с использованием микроскопа подтверждает улучшение качества паяных соединений, полученных при пайке в среде с низким содержанием кислорода. Если во время испытаний производить постепенное снижение остаточного 94 уровня кислорода, то можно легко наблюдать улучшение смачивания контактных площадок и выводов компонентов. Это особенно заметно на медных выводах микросхем, смоченных припоем с дальнейшим образованием качественной галтели. На Рис. 4.14 показано улучшение смачивания выводов компонентов при использовании азотной среды. Остаточный уровень кислорода в зоне пайки составлял примерно 300 ppm. Как видно на фотографии, припой затекает вверх по выводу и полностью покрывает вывод. Под “пятками” выводов микросхемы припой затечет выше и увеличит площадь контакта припоя с выводами, следовательно, повысится прочность паяного соединения. Для сравнения на Рис. 4.15 приведена фотография выводов микросхемы, пайка которых осуществлялась в воздушной среде. Использование азотной среды улучшает качество пайки не только микросхем, но и транзисторов, катушек индуктивности и т.д. Рис. 4.14. Пайка в азотной среде Рис. 4.15. Пайка в воздушной среде Потребление азота зависит от исходной чистоты азота, типа печи и остаточного уровня кислорода, который необходимо обеспечить. Как правило, исходная чистота азота составляет 5 ppm остаточного кислорода. Такая чистота может быть обеспечена только использованием жидкого азота. Для получения газообразного азота из жидкого используются специальные испарители. Если длина трубопровода от испарителя до установки превышает 50 м и проходит по зданию, нет необходимости в дополнительном оборудовании для нагрева газообразного азота. Примерное потребление азота в печах серии Hotflow представлено в Табл. 4.2. Приведенные данные соответствуют следующим исходным параметрам: • Ширина конвейера 250 мм • Высота компонентов 15 мм • Азот 5.0 (чистота O2 < 5 ppm) Остаточный уровень кислорода 20 ppm 50 ppm 100 ppm 500 ppm Примерный расход азота 23-26 м³/ч 19-23 м³/ч 16-19 м³/ч 11-15 м³/ч Табл. 4.2. Примерное потребление азота в печах серии Hotflow Потребление азота также зависит от системы управления подачей азота. Существуют два конструктивных исполнения печей: только с расходомерами, позволяющими контролировать расход азота, подаваемого в печь, и с регулированием остаточного уровня кислорода в печи. Печи с регулированием остаточного уровня кислорода снабжены газоанализатором, регистрирующим текущий уровень кислорода в печи и обеспечивающим обратную связь с системой управления, которая управляет 95 пропорциональным клапаном, автоматически увеличивающим или уменьшающим подачу азота в печь в зависимости от текущего уровня остаточного кислорода. Какова экономическая выгода пайки в среде азота? Она должна рассчитываться в каждом конкретном случае. Экономия средств вследствие снижения уровня брака при пайке может быть определена довольно просто. Но другие выгоды рассчитать гораздо сложнее. Однако все сводится к сравнению экономии средств и других преимуществ со стоимостью азота и оборудования для его подачи. 4.6. Пайка бессвинцовыми припоями Согласно директивам Европейского сообщества (ЕС) с 1 июля 2006 г. запрещается применение свинца в производстве электроники во всех странах, входящих в ЕС. Использование бессвинцовых припоев вынуждает производителей знакомиться с новыми материалами и адаптировать существующие производственные процессы под новые требования. Наиболее вероятной заменой традиционных оловянно-свинцовых припоев может стать припой на основе олова, содержащий серебро и медь (Sn/Ag/Cu). Однако для внедрения в производство такого припоя необходимо сначала преодолеть ряд трудностей. Например, при использовании традиционного оловянно-свинцового припоя неудовлетворительное смачивание поверхностей может быть частично компенсировано увеличением температуры пайки, что гораздо сложнее реализовать при пайке припоями Sn/Ag/Cu. Использование бессвинцовых припоев приводит к сужению окна технологического процесса, так как у них температура ликвидуса выше, а также и потому, что материалы, из которых изготовлены печатные платы (ПП), имеют ограниченные максимально допустимые температуры нагрева, которому они могут подвергаться в течение определенного промежутка времени без возникновения повреждений. Одним из способов компенсации сужения окна технологического процесса и сокращения разницы между температурой пайки и ликвидуса является пайка в среде азота. 4.6.1. Типы бессвинцовых припоев Так как применение свинца в электронной промышленности будет запрещено в скором времени, необходимо найти подходящую замену свинцовосодержащим припоям и покрытию выводов компонентов и контактных площадок. Этот поиск, ведущийся, по крайней мере, 15 лет, интенсифицировался в последнее время. Исследования и испытания различных припоев привели к появлению рекомендаций к применению припоев на основе олова, содержащих небольшой процент серебра и/или меди и/или висмута, а некоторые предприятия уже внедрили их в производственный процесс. Однако замена свинца оловом приведет к повышению температуры ликвидуса припоя со 183°C (для припоя Sn63/Pb37) примерно до 210-230°C в зависимости от состава припоя. Повышение температуры приведет к увеличению скорости окисления. Олово, являясь основным компонентом многих бессвинцовых припоев, обладает большим сродством к кислороду, чем свинец. В действительности, значение коэффициента роста оксидной пленки для припоя из чистого олова в два раза выше, чем для припоя Sn60/Pb40. Одним из способов уменьшения влияния окисления является применение высокоактивных флюсов для удаления окислов в процессе пайки. Другой, более экологически безвредный способ заключается в использовании малоактивных флюсов и защите припоя от окисления с помощью инертной среды, например, азотной. Ниже приведены основные типы бессвинцовых припоев и их температуры плавления (см. Табл. 4.3). Рассмотрим каждый из этих припоев. Тип припоя Sn/Ag Состав (массовые части), % Sn96,5/Ag3,5 96 Температура плавления, °C 221 Sn/Ag/Cu Sn/Cu Sn/Ag/Cu/Sb Sn/Ag/Bi Sn/Ag/Bi/Cu Sn/Bi Sn/Sb In/Sb Sn/Zn Au/Sn Sn95,5/Ag4,0/Cu0,5 Sn99,3/Cu0,7 Sn96,2/Ag2,5/Cu0,8/Sb0,5 Sn91,8/Ag3,4/Bi4,8 Sn90/Ag2,0/Bi7,5/Cu0,5 Sn42/Bi58 Sn95/Sb5 In52/Sb48 Sn91/Zn9 Au20/Sn80 217-219 227 217-220 200-216 198-212 138 232-240 118 199 280 Табл. 4.3. Типы и температуры плавления бессвинцовых припоев Припой Sn/Ag (Sn96,5/Ag3,5). Данный припой обладает достаточной смачивающей способностью и прочностью. В некоторых источниках отмечаются его более высокие термоусталостные свойства по сравнению с оловянно-свинцовыми припоями. Повреждения, вызванные термической усталостью, усиливаются при повышенных температурах. В системе Sn/Pb относительно высокая растворимость в твердом состоянии свинца в олове и наоборот, особенно при повышенных температурах, приводит к укрупнению зерна. Известно, что эти неоднородные укрупненные зерна являются концентраторами напряжений, приводящих к зарождению и развитию трещин. Имеются многочисленные подтверждения того, что микроструктуры такого типа в сплавах Sn/Pb разрушаются вследствие возникновения полосы укрупненных зерен, из которой начинается рост усталостных трещин. Для сравнения, в системе Sn/Ag растворимость серебра в олове невелика, что обеспечивает более высокую сопротивляемость к укрупнению зерна сплавов этой системы. В результате, эвтектический припой Sn96,5/Ag3,5 обладает более стабильной однородной микроструктурой, что повышает надежность. Хотя припой Sn96,5/Ag3,5 сам по себе обладает высокой стабильностью микроструктуры, при пайке поверхностей на основе меди из-за большего содержания олова (96,5% по сравнению с 63%) и более высокой температуры пайки увеличивается скорость диффузии меди в олово. При достижении соответствующей концентрации происходит образование и рост хрупкого интерметаллического соединения Cu6Sn5. Для снижения скорости диффузии и, тем самым, уменьшения проникновения меди в олово, возможно использование других покрытий паяемых поверхностей, например, иммерсионного золота (трехслойное покрытие Au-Ni-Cu). Слой никеля толщиной 2 мкм играет роль эффективного диффузионного барьера, ограничивая проникновение меди в припой и образование хрупкого интерметаллического соединения Cu6Sn5. Припой Sn/Ag/Cu (Sn95,5/Ag4,0/Cu0,5). Так как стойкость паяного соединения к механическим воздействиям уменьшается при температурах, близких к температуре плавления припоя, термоциклирование при повышенных температурах более опасно для оловянно-свинцовых (температура плавления 183°C), чем высокотемпературных припоев. Температура плавления припоя Sn/Ag/Cu делает его идеально подходящим для пайки изделий с высокими рабочими температурами (до 175°C). Что касается смачивания, припой Sn/Ag/Cu не так хорошо смачивает медные поверхности, как припой Sn/Pb при использовании распространенных флюсов. Однако образования качественных галтелей можно достичь при условии, что применяемые флюсы пригодны для пайки при высоких температурах. Пайка в азотной среде также улучшает смачивание при использовании флюсов, не требующих отмывки. Тест на растворение меди показал относительно высокую тенденцию растворять медь из покрытий и образовывать интерметаллическое соединение Cu6Sn5. Припой Sn/Cu (Sn99,3/Cu0,7). Данный припой также может использоваться при пайке изделий, работающих при высоких температурах, например, в автомобильной 97 промышленности. Это наиболее приемлемый вариант для предприятий, ищущих припои, не содержащие свинец и серебро. Предварительные испытания данного припоя выявили существенно лучшие усталостные свойства и предел ползучести по сравнению со стандартными оловянно-свинцовыми припоями. Однако припои Sn/Cu/X показали лучшие результаты при испытании на ползучесть. Припой Sn/Ag/Cu/Sb (Sn96,2/Ag2,5/Cu0,8/Sb0,5). Механические характеристики и показатели надежности припоев данной системы схожи с характеристиками припоев системы Sn/Ag/Cu. Однако его применение вызывает некоторые опасения из-за содержания в нем токсичной сурьмы. Припой Sn/Ag/Bi (Sn91,8/Ag3,4/Bi4,8). Вообще говоря, висмут добавляется в припои Sn/Ag/X в целях снижения температуры плавления. Еще одним преимуществом добавления висмута является более высокая прочность паяных соединений, что было показано при механических испытаниях. Данный припой был разработан Sandia National Labs. Испытания, проведенные Sandia, показали отсутствие повреждений электрических цепей печатных узлов (ПУ) с компонентами поверхностного монтажа после 10000 циклов изменения температуры. Для испытания использовались компоненты PLCC68, SOIC24 и чип-конденсаторы 1206, установленные на стандартные платы из FR4. ПУ подвергались нагреванию от 0 до 100°C со скоростью 10°C/мин. После 5000 циклов не было обнаружено трещин или деформаций на разрезах платы. Эти результаты хорошо согласуются с данными, собранными Национальным центром технологий США (National Centre for Manufacturing Sciences, NCMS) в рамках проекта по пайке бессвинцовыми припоями, сообщившим о высокой сопротивляемости припоя термической усталости при использовании печатных плат с органическим защитным покрытием контактных площадок и сквозных отверстий. Припой Sn/Ag/Bi/Cu (Sn90/Ag2,0/Bi7,5/Cu0,5). Хотя добавление висмута в систему Sn/Ag/X увеличивает прочность паяных соединений и улучшает смачивание, слишком большое содержание висмута (более 5%) приводит к образованию двойной эвтектики Sn/Bi при 138°C или тройной эвтектики Sn/Ag/Bi при 136,5°C. Для припоя с содержанием висмута 7,5% это соответствует примерно 1% объема паяного соединения. При приближении температуры к 138°C 1% паяного соединения расплавится, что неминуемо скажется на надежности. Данная проблема вместе с недостатком, связанным с формированием соединения SnPbBi при 96°C, делает этот припой маловероятным кандидатом для бессвицовой пайки. Припой Sn/Bi (Sn42/Bi58). Низкая температура плавления данного припоя делает его пригодным для пайки термочувствительных компонентов и подложек. Если бы данный припой содержал свинец, то могло бы формироваться эвтектическое соединение SnPbBi при 96°C, что, в свою очередь, неблагоприятно сказалось бы на термоусталостных свойствах. В рамках исследовательского проекта пайки бессвинцовыми припоями Национального центра технологий США было заявлено о результатах испытаний на термоциклирование (0/100°C, -55/+125°C) с проведением 5000 циклов испытаний ПП с органическим защитным покрытием контактных площадок и сквозных отверстий. Результаты показали, что припой Sn/Bi превзошел припой Sn/Pb в обоих испытаниях. Однако предполагалось, что близость 125°C к температуре двойной эвтектики Sn/Bi, равной 138°C, приведет к неудовлетворительным результатам. Было предложено два вероятных объяснения этого неожиданного результата. Возможно, сплав Sn/Bi подвергается отжигу при температуре 125°C, уменьшающему напряжения, возникающие при термоциклировании. Второе объяснение заключается в претерпевании сплавом рекристаллизации. Кроме того, не наблюдалось образование высокой галтели по причине эвтектической природы сплава. Припой Sn/Sb (Sn95/Sb5). Припой 95Sn/5Sb – это твердый раствор сурьмы в олове. Относительно высокая температура плавления данного припоя делает его пригодным для применения в качестве высокотемпературного. Сурьма придает прочность и твердость. 98 При сравнении пределов текучести различных припоев было обнаружено, что предел текучести припоя Sn/Sb составляет 37,2 МПа и почти равен значению, показанному припоем Sn/Ag (37,7 МПа). Высокий предел текучести данного сплава приводит к тому, что в случае тонкого интерметаллического соединения трещина развивается по границе припоя с интерметаллическим соединением – пути, требующему минимальных затрат энергии. Повышение толщины интерметаллического соединения приводит к прохождению трещины сквозь интерметаллид. Образование интерметаллического соединения SbSn возможно при таком уровне содержания Sb. Эта фаза имеет кубическую структуру с высокой твердостью. Испытания на смачивание проводились при использовании RMA-флюса. Смачивание припоем Sn95/Sb5 медной проволоки при испытании в течение 2 сек. значительно меньше, чем припоями Sn63/Pb37 и Sn96,5/Ag3,5. Помимо низкой смачивающей способности, токсичность сурьмы также вызывает опасения. Как и висмут, сурьма является побочным продуктом при производстве свинца. Припой In/Sn (In52/Sb48). Данный припой относится к низкотемпературным припоям. Благодаря содержанию индия он обладает высокой стойкостью к окислению, однако склонен к коррозии в среде с высокой влажностью. Более того, это очень мягкий металл. К тому же сплав In52/Sn48 обладает довольно низкими термоусталостными свойствами по причине низкой температуры плавления. Высокое содержание индия в этом припое препятствует его широкому применению из-за стоимости и ограниченной доступности. Припой Sn/Zn (Sn91/Zn9). Наличие цинка в припоях приводит к окислению и коррозии. Слитки из этих сплавов, подвергавшиеся воздействию пара в течение 8 ч., сильно корродировали, о чем свидетельствовал багрянистый цвет поверхности. Припой в форме порошка интенсивно реагирует с кислотами и щелочами с образование газов. Известно, что цинкосодержащие припои вступают в реакцию с флюсом, что со временем приводит к отвердеванию пасты. Таким образом, совместимость с флюсами и продолжительность срока хранения данного припоя находится под вопросом. При пайке оплавлением припой Sn/Zn не продемонстрировал достаточно высокую смачивающую способность, показанную другими бессвинцовыми припоями. При пайке волной припоя наблюдалась тенденция к образованию большого количества шлама. Следовательно, возможность промышленного применения данного припоя и цинкосодержащих припоев в целом сомнительна. Припой Au/Sn (Au20/Sn80). Эвтектический припой Au/Sn образует паяные соединения, отличающиеся высокой твердостью благодаря формированию хрупкого интерметаллического соединения. Однако были обнаружены проблемы, связанные с растрескиванием при пайке данным припоем. Не установлено, возникает ли растрескивание во время сборки ПУ или термоциклирования. Высокая цена данного припоя ограничивает его применение в тех случаях, когда издержки являются сдерживающим фактором. 4.6.2. Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса Бессвинцовая пайка практически ничем, кроме более высокой температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. Однако могут потребоваться некоторые изменения на определенных операциях техпроцесса. Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на характеристики паяльной пасты. Могут измениться такие свойства паст, как срок службы и хранения, текучесть, что потребует изменения конструкции ракеля и режимов оплавления. Под воздействием повышенной температуры пайки может произойти вспучивание корпусов микросхем, растрескивание кристаллов, нарушение функционирования схем. Схожие эффекты возникают и в печатных платах. Под действием температуры происходит расслоение основания, ухудшается плоскостность, что отрицательно сказывается на точности установки микросхем, особенно в корпусах больших размеров. 99 Большинство компонентов совместимы с температурным режимом бессвинцовой пайки. Исключение составляют некоторые типы интегральных схем, конденсаторов и разъемов, предельная температура пайки для которых не должна превышать 225-230°C. Что касается оплавления, то основные изменения связаны, в первую очередь, с более высокой температурой пайки. Требуется более тщательный выбор компонентов и материалов основания платы. Другие проблемы касаются охлаждения устройства и поддержки платы. Особенно чувствительны к скорости охлаждения многокомпонентные сплавы, содержащие более двух металлов. В таких припоях могут образовываться различные интерметаллические соединения в зависимости от скорости охлаждения. Повышенная температура пайки может привести к кристаллизации остатков флюса, что затруднит отмывку печатных узлов после пайки. Внешний вид паяного соединения при пайке бессвинцовым припоем весьма сильно отличается от традиционного. Для оценки качества паяных соединений, полученных с использованием бессвинцовых припоев, возможно, потребуется разработать новые критерии. Рис. 4.16. Внешний вид паяного соединения при использовании бессвинцового припоя При монтаже плат больших размеров с массивными компонентами потребуется либо увеличивать время воздействия температуры, либо повышать температуру пайки, что следует учитывать при выборе компонентов и материалов печатных плат. При пайке бессвинцовыми припоями компонентов с выводами, покрытыми Sn/Pb, могут образовываться шарики припоя. 4.6.3. Пайка бессвинцовыми припоями в инертной среде В Швеции была проведена серия испытаний с целью выяснения влияния различных факторов на технологический процесс пайки. Испытания на растекаемость припоя проводились в различных средах, при различных температурах пайки и длительности нахождения припоя в жидком состоянии. При этом методом трафаретной печати наносилось одинаковое количество паяльной пасты на медную поверхность. Объем паяльной пасты определялся, исходя из толщины трафарета и диаметра отверстий в нем. Далее производилось оплавление припоя, и затем измерялась площадь, покрытая припоем. Не стоит забывать, что результаты теста на растекаемость припоя нельзя напрямую распространять на пайку компонентов, установленных на ПП, потому что пайка ПУ – это взаимодействие паяльной пасты с выводами компонентов и контактными площадками ПП, среды и профиля пайки, определяющее окончательный результат. 100 Тестирование было проведено для трех типов паяльных паст различных производителей с припоем Sn95,8/Ag3,5/Cu0,7 и флюсом, не требующим отмывки, наносимых с помощью металлических ракелей через металлический трафарет, изготовленный методом лазерной резки, толщиной 200 мкм с диаметром отверстий 4,93 мм. ПП, использованные во время испытаний, были изготовлены из FR4 и имели толщину 1,6 мм. Для обеспечения чистоты поверхности ПП и отсутствия на ней оксидов и других загрязнителей ПП подвергались предварительной очистке и полировке. На каждую ПП наносилось по 6 отпечатков пасты, затем производилась пайка в воздушной или азотной среде. Во второй части испытаний исследовалась пайка ПП с установленными компонентами в воздушной и азотной среде с тем, чтобы выяснить влияние среды. При этом использовались компоненты и ПП с чистыми поверхностями и недавно изготовленная паяльная паста. Материал, из которого были изготовлены ПП толщиной 1,6 мм, – FR4, контактные площадки имели покрытие Ni/Au. Толщина трафарета, через который наносилась паста, составляла 150 мкм, параметры технологического трафарета были таковы: скорость движения ракеля – 25 мм/с, давление ракеля – 1 кг/10 см ракеля. Перечень использованных компонентов приведен ниже (см. Табл. 4.4). Компонент C1206 SO16 QFP BGA225 Покрытие выводов Sn бессвинцовое Бессвинцовое SnPb SnPb шариковые выводы Шаг выводов, мм 1,27 0,5 1,5 Табл. 4.4. Перечень компонентов Испытания припоя на растекаемость и исследование пайки компонентов, установленных на ПП, ясно показали, что при использовании припоя Sn/Ag/Cu смачивание поверхностей улучшается в случае пайки в среде азота. Смачивание выводов некоторых компонентов при пайке в воздушной среде было признанно неудовлетворяющим требованиям стандартов IPC. Так как в исследованиях были использованы недавно изготовленные компоненты и паяльная паста, ожидается, что влияние среды, в которой производится пайка, может быть еще более существенным, если паяемость контактных площадок ПП или выводов компонентов снизится из-за длительного хранения. Что касается паяльной пасты, то перед ее использованием необходимо убедиться в отсутствии серьезного ухудшения качества, например, из-за поглощения пастой большого объема влаги или высыхания. Было установлено, что результаты, показанные паяльными пастами разных производителей при одних и тех же условиях, различны, но все они улучшаются при пайке в азотной среде. Было показано, что при одних и тех же условиях время нахождения припоя в жидком состоянии может быть уменьшено примерно на 16% при пайке в азотной среде. При пайке в азотной среде было достигнуто такое же смачивание, что и в воздушной среде. Это приводит к сокращению времени цикла и, следовательно, к увеличению производительности. В идеале, при пайке ПП с установленными компонентами все компоненты и отпечатки паяльной пастой должны достичь одинаковой температуры в одной и то же время. На практике дело обстоит не так. На нагрев крупных компонентов требуется больше энергии, чем на нагрев мелких, и, следовательно, достижение заданной температуры происходит дольше. Другие факторы, влияющие на разницу температуры по поверхности ПП, включают в себя топологию ПП, теплоотвод, эффективность и постоянство передачи тепла от печи к ПП, отличие температуры на поверхности ПП от температуры на нагревателях. Часто это приводит к тому, что одинаковые компоненты, 101 установленные в разных местах ПП, подвергаются различному температурному воздействию. Смачивание определит, будет ли сформировано качественное паяное соединение или нет. Это, в свою очередь, зависит от типа компонентов и металлизации контактных площадок ПП, состояния поверхности выводов компонентов и контактных площадок, паяльной пасты и ее состояния, не говоря уже о многих других факторах. 4.7. Дефекты пайки и способы их устранения В Табл. 4.5 приведен обзор дефектов паяных соединений, указаны их типичные причины возникновения и описаны методы устранения. Описание Иллюстрации Причины возникновения Методы устранения Образование шариков припоя • Интенсивное испарение растворителя • Впитывание влаги паяльной пастой • Обеспечить медленное повышение температуры в зоне предварительного нагрева 0,51,0°С/с • Снизить температуру стабилизации до 150°С • Изменить скорость увеличения температуры на стадии пайки (2-4°С/с) • Выдержать пасту при комнатной температуре в течение 6-8 ч • Сократить время между нанесением пасты и пайкой Шарики припоя на контактных площадках • Истощение флюса, приводящее к плохой смачиваемости и образованию шариков припоя • Уменьшить время и температуру стабилизации • При расползании паяльной пасты – сократить температуру на стадии предварительного нагрева • Проверить срок годности пасты • Проверить время пребывания пасты в открытом виде • Использовать активный флюс • Использовать пасту с большими размерами частиц припоя • Проверить температуру и влажность в рабочем помещении Большие шарики припоя рядом с контактными площадками • Неправильное совмещение рисунка трафарета с контактными площадками, из-за чего часть паяльной пасты может попадать рядом с контактной площадкой, при оплавлении эта паста собирается в один большой шарик припоя • Проверить точность совмещения трафарета с печатной платой • Проверить правильность рисунка окон в паяльной маске 102 Бусинки припоя • Очень большое количество паяльной пасты на контактных площадках • Слишком высокая скорость нарастания температуры в первой зоне • Слишком низкая скорость нарастания температуры в первой зоне • Обеспечить медленное повышение температуры в зоне предварительного нагрева • Снизить усилие прижима при установке компонентов • Уменьшить толщину и размеры окон в трафарете • Использовать специальную форму окон в трафарете • Проверить точность совмещения трафарета с рисунком печатной платы • Скорректировать профиль пайки Плохая смачиваемос ть • Длительное время или неправильные условиями хранения печатных плат и компонентов • Проверить паяемость печатных плат и компонентов • Для пайки печатных плат и компонентов с плохой паяемостью использовать паяльные пасты с более активным флюсом • Не допускать перегрева паяльной пасты, для этого необходимо уменьшить скорость роста температуры в зоне предварительного нагрева и сократить время в зоне стабилизации Отсутствие смачивания контактных площадок • Перегрев паяльной пасты • Загрязнение контактных площадок • Низкая активность флюса • Понизить температуру в зоне пайки • Сократить время пребывания печатной платы в зоне пайки выше точки плавления до 30-90 сек. • Перед началом сборки произвести очистку печатных плат • Использовать паяльную пасту с более активным флюсом Отсутствие смачивания выводов компонентов • Окисление вследствие длительного хранения компонентов • Истощение флюса в результате неправильно выбранного профиля пайки • Использовать более активный флюс для компонентов с плохой паяемостью • Уменьшить температуру и скорость повышения температуры на стадии предварительного нагрева Плохая паяемость компонентов • Низкое качество • Обеспечить условия хранения при 25±5°С, RH <70% изготовления компонентов • Произвести испытания на • Неправильные условия паяемость и время транспортировки и хранения компонентов (высокая температура и влажность) 103 Капиллярное затекание припоя, эффект “фитиля” • Контактные площадки имеют плохую паяемость и вывод компонента стягивает на себя значительную часть расплавленного припоя • Вывод компонента нагревается быстрее, чем контактная площадка, паста, расположенная вокруг вывода компонента, будет расплавляться быстрее и собираться на нем • Проконтролировать паяемость печатных плат • Перед началом сборки произвести очистку плат • Увеличить время на стадии стабилизации для выравнивания температур контактных площадок и выводов компонентов Отсутствие пайки выводов • Низкое давление при установке компонентов • Низкая температура пайки или высокая скорость конвейера • Высокая скорость предварительного нагрева • Увеличить давление при установке компонентов • Повысить температуру пайки (минимальная температура пайки для сплавов Sn62 и Sn63 должна составлять 205-210°С на плате) и/или уменьшить скорость конвейера • Уменьшить скорость предварительного нагрева, увеличить стадию стабилизации Отсутствие пайки выводов крупногабар итных корпусов • Недостаточное время и/или температура выше точки плавления припоя • Замерить температурный профиль в зоне отсутствия пайки и откорректировать температурный профиль • Увеличить время стабилизации и/или пайки • Увеличить температуру пайки Отсутствие пайки отдельных выводов компонентов • Некомпланарность выводов • Некомпланарность контактных площадок • Проверить компланарность выводов перед установкой • Проверить равномерность металлизации, использовать печатные платы с покрытием Ni/Au Разрушение металлизаци и • Покрытие PdAg, выводов чипконденсаторов и резисторов легко растворяется в расплавленном припое • Использовать компоненты с трехслойным покрытием Ag/Ni/SnPb, которое более устойчиво к разрушению в процессе пайки, чем однослойное покрытие PdAg • Уменьшить температуру и время в зоне пайки 104 Эффект “надгробного камня” • Неравномерное распределение сил поверхностного натяжения на противоположных концах чипкомпонентов • Увеличить время стабилизации • Использовать специальные пасты, имеющие промежуточную твердо-жидкую фазу при расплавлении припоя Капиллярное затекание припоя в переходные отверстия • Неправильная конструкция печатных плат • Переходные отверстия должны быть отделены от контактных площадок зауженными участками проводников (длиной не менее 2,5 мм и шириной 0,15-0,20 мм) в соответствии с требованиями стандарта IPCSM-782A Перемычки припоя между выводами микросхем • Неправильное нанесение пасты и установка компонентов • Расползание паяльной пасты в процессе пайки • Наличие различных загрязнений (ворсинки, волоски) • Произвести очистку печатных плат перед сборкой • Обеспечить регулярную очистку трафарета с нижней стороны • Контролировать точность нанесения пасты и установки компонентов • Использовать специальные материалы для очистки плат и трафаретов • Уменьшить количество наносимой паяльной пасты Мостики припоя между смежными ЧИПкомпонентам и • Применение грязных (с нижней стороны) трафаретов • Выдавливание паяльной пасты с контактных площадок при установке компонентов • Уменьшить давление ракеля при нанесении паяльной пасты • Регулярно производить очистку трафарета с нижней стороны (не реже чем после нанесения паяльной пасты на 20-30 печатных плат) • Уменьшить усилие прижима при установке компонентов Пустоты в паяном соединении • Образование пустот происходит при испарении растворителя. • Увеличить время предварительного нагрева • Уменьшить скорость изменения температуры на стадии предварительного нагрева • Применение инертной среды позволяет минимизировать вероятность появления дефекта Отсутствие паек и перемычки припоя BGA компонентов • Возникают при пайке BGA корпусов в результате интенсивного испарения влаги, адсорбированной корпусами в процессе хранения • Обеспечить хранение компонентов в условиях пониженной влажности (шкафах сухого хранения) • Произвести сушку чувствительных к влаге BGA и µBGA корпусов перед установкой (упаковка должна быть устойчива к температурным воздействиям – 105 Dry-Packs) Сдвиг компонентов • Влага, абсорбированная в процессе хранения танталовых конденсаторов, вырывается в процессе пайки с такой силой, что приводит к смещению соседних компонентов • Произвести сушку танталовых конденсаторов перед установкой (упаковка должна быть устойчива к температурным воздействиям – Dry-Packs) • Использовать танталовые конденсаторы других производителей Интерметалл иды на поверхности паяного соединения • Высокая температура и продолжительное время пайки • Понизить время (не более 120 сек.) и/или температуру в зоне пайки • Проконтролировать скорость охлаждения Дефицит припоя на пайках • Малые размеры окон в трафарете • Большая толщина трафарета для нанесения паяльной пасты • Увеличить размеры окон в трафарете и/или уменьшить толщину трафарета • Увеличить давление ракеля • Использовать более жесткий ракель • Регулярно производить очистку трафарета • Использовать паяльную пасту с меньшими размерами шариков припоя Избыточное количество припоя • Неправильная • Обеспечить конструкцию конструкция контактных площадок в контактных площадок соответствии с требованиями стандарта IPC-SM-782A • Большая толщина трафарета • Уменьшить толщину трафарета • Зазор между • Исключить зазор между трафаретом и печатной трафаретом и печатной платой платой при нанесении и уменьшить давление ракеля пасты при нанесении паяльной пасты Смещение компонентов • Избыточное количество паяльной пасты • Неправильная конструкция контактных площадок и проводников • Низкое качество паяльной маски 106 • Обеспечить конструкцию контактных площадок в соответствии с требованиями стандарта IPC-SM-782A • Уменьшить толщину или размер окон в трафарете • Исключить зазор между трафаретом и печатной платой и уменьшить давление ракеля при нанесении паяльной пасты • Использовать качественную паяльную маску Растрескиван ие ЧИПконденсаторо в • Большое усилие прижима при установке компонентов на печатную плату • Тепловой удар в процессе пайки • Изгиб печатных плат при разделении групповых заготовок • Отрегулировать усилие прижима при установке компонентов • Не допускать избыточного количества припоя на контактных площадках, уменьшить толщину трафарета • Уменьшить температуру и время пайки • Снизить скорость охлаждения • Исключить деформацию плат при разделении групповых заготовок Растрескиван ие паяных соединений • Изгиб и деформация плат при разделении групповых заготовок, тестировании и климатических испытаниях • Неправильная конструкция контактных площадок • Большое количество припоя в соединении • Механические напряжения • Обеспечить конструкцию контактных площадок в соответствии со стандартом IPC-SM-782A • Уменьшить количество пасты, уменьшить толщину трафарета и/или размеры окон в трафарете • Снизить скорость охлаждения • Проанализировать причины деформации и/или механических напряжений Растрескиван ие пластиковых корпусов • Неправильный выбор режимов пайки • Проконтролировать режимы пайки (максимальную температуру и время) на соответствие спецификациям производителей электронных компонентов • Допустимые режимы пайки на стандартные компоненты приведены в стандарте IPC-SM782A Растрескиван ие крупногабар итных пластиковых корпусов • Насыщение корпусов влагой в процессе хранения, приводящее к испарению влаги и расширению корпусов в процессе пайки • Обеспечить условия хранения крупногабаритных корпусов в специальных условиях, предотвращающих адсорбцию корпусами влаги • Провести предварительную сушку крупногабаритных корпусов перед сборкой печатных плат Расплавление пластмассов ых корпусов • Высокая температура пайки • Снизить пиковую температуру пайки • Уменьшить время пайки Отслоение паяного соединения от контактной площадки • Плохая очистка поверхности контактных площадок • Нарушение покрытия иммерсионного золота на никеле • Обеспечить очистку печатных плат перед сборкой • Проконтролировать паяемость контактных площадок 107 Матовая пайка • Окисление паяных соединений при пайке • Образование интерметаллического слоя на поверхности пайки • Кристаллизация остатков флюса на паяном соединении • Повреждение паяного соединения до отвердения припоя • Сократить время выдержки выше точки плавления • Увеличить скорость охлаждения • Уменьшить скорость повышения температуры на стадии предварительного нагрева • Исключить вибрацию конвейера “Холодная пайка” (пористое, неровное паяное соединение серого цвета) • Перемещение компонента или вибрация в процессе затвердевания припоя. • Низкая температура пайки • Предотвратить вибрацию конвейера в процессе пайки • Повысить температуру пайки до 215–225°С Изменение цвета остатков флюса • Высокая температура пайки • Низкая скорость конвейера • Снизить температуру в зоне пайки • Увеличить скорость конвейера в печи • Длительное время пайки • Большая толщина или размеры окон трафарета • Неправильный выбор типа паяльной пасты • Низкое качество паяльной пасты • Скорректировать температурный профиль • Уменьшить толщину и/или размер окон в трафарете • Заменить паяльную пасту • Использовать паяльную пасту с не истекшим сроком годности --------- Избыточное количество остатков флюса Табл. 4.5. Дефекты пайки, причины их возникновения и методы устранения 4.8. Литература 1. ЗАО Предприятие ОСТЕК. Пайка электронных модулей на печатных платах методом оплавления паяльных паст: материалы, оборудование, технология, критерии качества, дефекты, контроль качества. – Материалы к семинару, состоявшемуся 02.03.04. 2. ЗАО Предприятие ОСТЕК. Оборудование технологическое. – Краткий каталог, 2003 3. В. Григорьев. Бессвинцовая технология – требование времени или прихоть законодателей от экологии? – “Электронные Компоненты”, № 6, 2001. 4. В. Клейменов. Монтаж электронных компонентов. Используемое оборудование. – “Компоненты и Технологии”, № 5, 2001. 5. B. Bentzen. Nitrogen in reflow. – www.smtinfocus.com 6. http://assembly.nm.ru/ 7. Integrity of solder joints from lead-free solder paste. Angela Grusd, Heraeus Inc., West Conshohocken, PA 8. The effect of nitrogen reflow soldering in a lead-free process. Anders Astom, Linde Gas, Lindingo, Sweden 108 5. Пайка волной 5.1. Введение Установки пайки волной припоя используются как для групповой пайки компонентов, монтируемых в отверстия, так и для смешанного монтажа. При пайке волной создается стационарная, постоянно обновляемая волна расплавленного припоя. Печатные узлы, подлежащие пайке, движутся в одном направлении поперек “гребня” волны. Вытяжка Корпус Позиция загрузки Палета Предварительный подогрев Флюсователь Позиция разгрузки Ванна с припоем Рис. 5.1. Схема установки пайки волной С момента изобретения в середине 50-х гг. прошлого века установки пайки волной развились от простых устройств с открытым конвейером до впечатляющих полностью автоматических комплексов с программным управлением. Для создания паяного соединения требуется флюс, подогрев и припой. Флюс используется для очистки окисленных поверхностей, подлежащих пайке. Предварительный подогрев необходим для удаления основы флюса, активации флюса и уменьшения термоудара по компонентам и ПП, изготовленным из разнообразных материалов. Эти материалы представляют собой пластики, керамику, металлы, покрытия, различные химические элементы и их соединения. При пайке волной время контакта платы с волной определяется шириной области контакта между волной припоя и нижней стороной платы, а также скоростью транспортировки. 109 Рис. 5.2. Типичный профиль пайки двойной волной припоя Необходимость обеспечения возможности использования установок пайки волной для пайки плат, содержащих поверхностно-монтируемые компоненты, инициировала существенное развитие данной технологии. Были предложены установки пайки двойной волной припоя (см. Рис. 5.2, Рис. 5.3), которые наиболее широко используются в настоящее время. Рис. 5.3. Двойная волна припоя На результат пайки большее влияние оказывает топология ПП. Особенно это касается многовыводных компонентов, имеющих большое количество выводов, расположенных близко друг к другу. В таких случаях пайка волной затруднительна, и следует использовать пайку оплавлением. Было отмечено, что даже при оптимальной конструкции контактных площадок изоляционное расстояние между ними часто менее 0,5 мм, поэтому высока вероятность образования перемычек припоя после пайки. Преимущества пайки волной: • это непрерывный процесс, позволяющий достичь высокой производительности; • быстрый перенос тепла делает данную технологию хорошо подходящей для пайки ПП с металлизированными отверстиями; • в большинстве случаев возможно создание тонких галтелей, что позволяет паять ПП с достаточно высокой плотностью монтажа, включая ПП, содержащие ПМИ; 110 • незначительные ограничения, накладываемые на длину ПП. Среди недостатков, присущих технологии пайки волной, можно отметить следующие: • достаточно узкое технологическое окно процесса; • высокая стоимость технического обслуживания из-за необходимости регулярной очистки установки; • наладка установки требует наличия квалифицированного персонала; • топология ПП должна быть адаптирована под направление движения ПП через волну. Оборудование Технологические параметры Наносимое количество флюса Температура в зоне предварительного подогрева Скорость конвейера и угол наклона конвейера Высота волны и ширина смачивания Температура припоя Качество пайки Обучение волной Полномочия Компетентность Установка пайки волной припоя Припой Флюс Материалы Персонал Рис. 5.4. Факторы, влияющие на качество пайки волной 5.2. Рекомендации по проектированию ПП Данный раздел посвящен рекомендациям концерна Philips по проектированию ПП, подлежащих пайке двойной волной. Хотя пайка волной может использоваться для некоторых типов ИС, ее не рекомендуется применять для пайки ПМИ или ПП с высокой плотностью монтажа, так как образование перемычек припоя и отсутствие смачивания может представлять большие трудности. Пайка двойной волной, специально разработанная для преодоления таких сложностей, гораздо лучшая технология, хотя даже и она не позволяет паять ИС с малым шагом выводов (менее 0,65 мм). В Табл. 5.1 приводится обзор пригодности различных типов ИС к пайке двойной волной, а рекомендации по проектированию контактных площадок даны ниже. Компоненты Характеристики BGA SO SSOP VSO TSSOP QFP SQFP LQFP TQFP PLCC Кол-во выводов 56-776 4- 14-56 40- 8-56 44128- 324420-84 32 56 160 304 208 128 Пригодность к не 4 2* 3 1* 2 1* 1* 1* 3 пайке двойной при(под волной годны 45°)* Удобство оценки затру- хор. хор. хор. хор. хор. хор. хор. хор. затрукачества паяных дниднисоединений тельна тельна Табл. 5.1. Пригодность различных ИС к пайке двойной волной (1 показывает, что пайка очень сложна, 4 – проста; * свидетельствует о невозможно пайки некоторых типов ИС) 111 5.2.1. Посадочное место под компоненты SO и SOJ Расширенные контактные площадки Контактные площадки C 0,3 1,20 Паяльный резист Занимаемая площадь BA F Движение ПП 0,60 G 1,27((N-2)x) Рис. 5.5. Посадочное место под компоненты SO и SOJ Тип корпуса SO8 SO8 SO14 SO16 SO16 SO20 SO24 SO28 SO32 SOJ40 N 8 8 14 16 16 20 24 28 32 40 Размеры посадочного места, мм Точность установки компонента, мм A B C F G 6,60 4,00 1,30 7,00 5,50 ±0,25 11,00 8,00 1,50 11,40 8,40 ±0,25 6,60 4,00 1,30 7,00 9,30 ±0,25 6,60 4,00 1,30 7,00 10,50 ±0,25 11,00 8,00 1,50 11,40 10,90 ±0,25 11,00 8,00 1,50 11,40 13,40 ±0,25 11,00 8,00 1,50 11,40 16,00 ±0,25 11,00 8,00 1,50 11,40 18,50 ±0,25 11,00 8,00 1,50 11,40 21,20 ±0,25 Непригодны для пайки волной Табл. 5.2. Размеры посадочного места под компоненты SO и SOJ 5.2.2. Посадочное место под компоненты HTSSOP, SSOP, TSSOP и VSO P((N-2)x) 1/2 D1 Контактные площадки C Паяльный резист Занимаемая площадь Ловушки припоя A E B THS F 4,00 H D2(4x) G1 Движение ПП D1 G2 Рис. 5.6. Посадочное место под компоненты HTSSOP, SSOP, TSSOP и VSO Тип N Размеры посадочного места, мм 112 Точность корпуса P A B C D1 D2 E F G1 G2 установки H THS компонента, мм HTSOP20 Непригодны для пайки волной HTSOP32 Непригодны для пайки волной SSOP14 14 0,65 9,15 5,35 1,90 0,30 0,30 6,15 10,65 4,25 6,75 2,00 0,40 SSOP16 16 0,65 9,15 5,35 1,90 0,30 0,30 6,15 10,65 4,25 7,075 2,00 0,40 SSOP16 16 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,30 9,80 3,55 7,075 2,00 0,40 SSOP20 20 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,30 9,80 4,20 7,775 2,00 0,40 SSOP20 20 0,65 9,15 5,55 1,80 0,30 0,30 6,30 10,80 4,75 7,725 2,00 0,40 SSOP24 24 0,65 9,15 5,55 1,80 0,30 0,30 6,30 10,80 5,25 8,375 2,00 0,40 SSOP28 28 0,65 9,15 5,55 1,80 0,30 0,30 6,30 10,80 6,25 9,025 2,00 0,40 SSOP48 Непригодны для пайки волной SSOP56 Непригодны для пайки волной TSSOP8 Непригодны для пайки волной TSSOP10 Непригодны для пайки волной TSSOP14 14 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,15 9,80 3,20 6,75 2,075 0,40 TSSOP16 16 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,15 9,80 3,20 7,075 2,075 0,40 TSSOP20 20 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,15 9,80 3,95 7,725 2,075 0,40 TSSOP24 24 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,15 9,80 4,60 8,375 2,075 0,40 TSSOP28 28 0,65 8,30 4,50 1,90 0,30 0,30 5,15 9,80 5,55 9,025 2,075 0,40 TSSOP32 32 0,65 10,40 6,35 2,025 0,30 0,50 6,35 13,75 7,50 9,875 3,20 0,30 TSSOP38 Непригодны для пайки волной TSSOP48 Непригодны для пайки волной TSSOP56 Непригодны для пайки волной VSO40 40 0,762 12,80 8,20 2,30 0,35 0,35 9,20 14,30 9,50 12,10 2,30 0,40 VSO56 56 0,75 16,20 11,80 2,20 0,35 0,35 12,80 17,70 12,70 15,00 2,20 0,40 ±0,10 ±0,10 ±0,15 ±0,15 ±0,10 ±0,10 ±0,10 ±0,15 ±0,15 ±0,15 ±0,15 ±0,15 ±0,15 ±0,10 ±0,10 Табл. 5.3. Размеры посадочного места под компоненты HTSSOP, SSOP, TSSOP и VSO 113 5.2.3. Посадочное место под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и TQFP 6,50 0,75 Ax Bx P((N-x)x) C 0,75 1/2 D1 0,75 Контактные площадки C Паяльный резист Занимаемая площадь P((Ny-1)x) THD (6x) Ay By 6,50 0,40 (2x) Ловушки припоя 45° D2 (8x) D1 P((Nx-1)x) 0,75 2,00 (2x) ие ен ж ви Д П П 0,50 Рис. 5.7. Посадочное место под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и TQFP Точность установки Тип Nx Ny компонента, корпуса P Ax Ay Bx By C D1 D2 THS W мм HTQFP32 Непригодны для пайки волной ° HTQFP48 Непригодны для пайки волной HTQFP80 Непригодны для пайки волной HTQFP100 Непригодны для пайки волной LQFP32 8 8 0,80 10,95 10,95 7,15 7,15 1,90 0,40 0,40 0,40 0,20 ±0,15 LQFP44 11 11 0,80 13,90 13,90 10,10 10,10 1,90 0,40 0,40 0,40 0,20 ±0,15 LQFP48 Непригодны для пайки волной LQFP64 Непригодны для пайки волной LQFP80 Непригодны для пайки волной LQFP100 Непригодны для пайки волной LQFP128 Непригодны для пайки волной LQFP144 Непригодны для пайки волной LQFP160 Непригодны для пайки волной LQFP176 Непригодны для пайки волной LQFP208 Непригодны для пайки волной MSQFP240 Непригодны для пайки волной QFP44 11 11 1,00 19,80 19,80 14,40 14,40 2,70 0,50 0,50 0,40 2,00 ±0,25 QFP44 11 11 0,80 13,90 13,90 10,30 10,30 1,80 0,40 0,40 0,40 2,00 ±0,15 QFP52 Непригодны для пайки волной QFP64 13 19 1,00 18,90 24,90 15,30 21,30 1,80 0,50 0,50 0,40 2,00 ±0,25 QFP64 16 16 0,80 17,95 17,95 14,75 14,75 1,60 0,40 0,40 0,40 2,00 ±0,15 QFP80 16 24 0,80 18,10 24,10 14,70 20,70 1,70 0,40 0,40 0,40 2,00 ±0,15 QFP80 16 24 0,80 18,70 24,70 15,50 21,50 1,60 0,40 0,40 0,40 2,00 ±0,15 QFP80 20 20 0,65 18,65 18,65 14,50 14,50 1,875 0,30 0,50 0,30 2,30 ±0,15 Размеры посадочного места, мм 114 QFP100 QFP120 QFP128 QFP160 SQFP128 SQFP208 TQFP44 TQFP64 TQFP80 TQFP100 Непригодны для пайки волной 30 30 0,80 32,65 32,65 28,90 28,90 1,875 0,40 0,60 0,30 2,30 32 32 0,80 32,70 32,70 29,30 29,30 1,70 0,40 0,40 0,40 2,00 40 40 0,65 32,65 32,65 28,90 28,90 1,875 0,30 0,50 0,30 2,30 Непригодны для пайки волной Непригодны для пайки волной 11 11 0,80 13,95 13,95 10,15 10,15 1,90 0,40 0,40 0,40 2,00 Непригодны для пайки волной Непригодны для пайки волной Непригодны для пайки волной ±0,15 ±0,15 ±0,15 ±0,15 Табл. 5.4. Размеры посадочного места под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и TQFP 5.2.4. Посадочное место под компоненты PLCC Ax Bx C Контактные площадки Паяльный резист C 1,27 ((Ny-1)x) Занимаемая площадь Ловушки припоя By Ay G Движение ПП 2,00 (2x) 2,00 (2x) 0,60 1,27((Nx-1)x) Рис. 5.8. Посадочное место под компоненты PLCC Размеры посадочного места, мм Тип корпуса Nx Ny PLCC20 PLCC28 PLCC44 PLCC52 PLCC68 PLCC84 5 7 11 13 17 21 5 7 11 13 17 21 Ax Ay Bx By C 9,70 12,20 17,30 19,80 24,30 30,00 9,70 12,20 17,30 19,80 24,30 30,00 6,60 9,10 14,20 16,70 21,80 26,90 6,60 1,55 9,10 1,55 14,20 1,55 16,70 1,55 21,80 1,55 26,90 1,55 F G 15,35 17,85 22,95 25,50 30,55 35,65 15,35 17,85 22,95 25,50 30,55 35,65 Точность установки компонента, мм ±0,25 ±0,25 ±0,25 ±0,25 ±0,25 ±0,25 Табл. 5.5. Размеры посадочного места под компоненты PLCC 5.3. Способы флюсования Нанесение флюса обычно осуществляется методом пенного флюсования или распылением. 115 5.3.1. Пенное флюсование В пенных флюсователях постоянный воздушный поток подается через аэратор – пористую трубку – во флюсовую ванну. Происходит образование пенной “шапки”, над которой транспортируется ПП. Флюс Сжатый воздух Аэратор Рис. 5.9. Схема пенного флюсователя Рис. 5.10. Пенный флюсователь Одно из основных преимуществ пенного флюсования состоит в том, что оно позволяет наносить довольно равномерный и тонкий слой флюса, а также простота отладки процесса для достижения повторяемых результатов. Кроме того, процесс прост в управлении и легко контролируется. Капание флюса в зоне предварительного нагрева устраняется использованием воздушного ножа, устанавливаемого после флюсователя. Недостатком этого метода флюсования является необходимость постоянного контроля и корректировки плотности флюса, а также невозможность точной регулировки количества флюса, наносимого на поверхность ПП. 5.3.2. Флюсование распылением Флюсование распылением стало наиболее распространенным методом нанесения флюса при сборке ПУ. Эта технология начала применяться с конца 1980-х гг., кода впервые в качестве альтернативных появились безотмывочные флюсы из-за запрещения использования фреона для удаления остатков флюса с ПП. Способ распыления является предпочтительным для получения наилучших результатов, так как обладает следующими преимуществами: • снижает количество остатков после пайки; • позволяет точно контролировать толщину слоя флюса, покрывающего ПП; • снижает расход флюса. 116 Наиболее успешным оказалось применение флюсователей следующих типов: стационарных (в которых распылительная головка неподвижна), совершающих возвратнопоступательные движения и с ультразвуковой распылительной головкой. В установках пайки волной фирмы ERSA используются флюсователи распылением с пневматической распылительной головкой, совершающей возвратно-поступательное движение. Флюсователь работает следующим образом. Когда плата находится над флюсователем, головка флюсователя с закрепленными на ней датчиками совершает возвратно-поступательное движение. При каждом движении в прямом направлении датчики производят сканирование. Если один из датчиков обнаружил плату, точки начала и окончания платы запоминаются в системе управления, и при движении в обратном направлении производится флюсование. Точки включения и выключения подачи флюса соответствуют точкам начала и окончания платы, определенным в результате хода сканирования. Ходы сканирования и флюсования повторяются до тех пор, пока плата не выйдет за пределы флюсователя. Использование флюсователя распылением позволяет точно определить расход флюса с помощью специальной номограммы. Рис. 5.11. Флюсующая головка флюсователя распылением 5.4. Модули предварительного нагрева В процессе пайки волной предварительный нагрев имеет две следующие функции: испарение летучих компонентов флюса и активация флюса, повышение температуры ПП и компонентов в целях уменьшения термоудара при контакте с волной. Так же, как и в печах оплавления припоя существуют системы предварительного подогрева на основе конвекции и излучения. Популярность конвекционных систем выросла с расширением области применения флюсов на водной основе с низким содержанием летучих органических соединений (флюсов VOC-free). Конвекционные системы осуществляют принудительную подачу горячего воздуха и в большинстве случаев используются только в качестве нижних нагревательных модулей. Преимущества конвекционных систем таковы: повышенная интенсивность теплообмена и связанное с ней ускоренное испарение летучих соединений, более равномерный нагрев печатного узла. 117 Рис. 5.12. Модули конвекционного предварительного подогрева Другие распространенные типы узлов предварительного подогрева, основанные преимущественно на нагреве излучением, – ИК-нагреватели и динамические кварцевые нагреватели (см. Рис. 5.13). ИК-нагреватели обеспечивают нагрев инфракрасным излучение определенной длины волны. Кварцевые коротковолновые нагреватели используются в дополнении к инфракрасным и обеспечивают дополнительный нагрев плат с массивными компонентами. Необходимо отметить, что более равномерный нагрев обеспечивают нагреватели, излучающие волны большей длины. А более интенсивный нагрев обеспечивают более коротковолновые нагреватели. Рис. 5.13. Динамические кварцевые нагреватели 5.5. Конструкции конвейеров В установках пайки волной используются два типа конвейеров: • палетные конвейеры; • пальчиковые конвейеры. Конвейеры палетного типа характеризуются простотой конструкции. При использовании специальных вкладышей-масок можно легко обеспечивать защиту от соприкосновения с припоем определенных участков платы (например, разъемов). Недостатком палетных конвейеров является необходимость ручных операций по загрузке и выгрузке в палету печатных узлов, подлежащих пайке. Кроме того, появляются дополнительные сложности по встраиванию установки в автоматическую линию и дополнительные затраты по установке конвейера, необходимого для возврата палет в начало линии. 118 Установки пайки волной с конвейерами пальчикового типа легко встраиваются в автоматические линии. Ширина конвейера может быть отрегулирована в зависимости от ширины платы. Платы в этих установках удерживаются пальчиками специальной конструкции. В установках пайки волной фирмы ERSA применяются пальчики из титана с центральной прижимной пластиной из нержавеющей стали (Рис. 5.14). Применение титана объясняется отсутствием его взаимодействия с расплавленным припоем. Конструкция пальчиковых конвейеров весьма сложна. Для удаления налипшего припоя с пальчиков необходимо предусматривать устройства очистки. Рис. 5.14. Пальчиковый конвейер 5.6. Гидродинамика волны Волна припоя в установках пайки волной может формироваться либо механически с помощью вращающейся крыльчатки, погруженной в ванну с припоем, либо путем использования силы Лоренца, создаваемой электрическими токами и магнитными полями. Повсеместное распространение получили установки пайки волной с механическим способом формирования волны припоя. Расплавленный припой подается в волнообразователи, которые могут иметь ту или иную конструкцию. Первая, турбулентная волна, обеспечивает проникновение расплавленного припоя между компонентами и в переходные отверстия, нагрев и смачивание всех выводов компонентов. Окончательное формирование паяных соединений, а соответственно и дефектов происходит при прохождении второй, ламинарной волны. Как правило, ламинарные волнообразователи называют буквой греческого алфавита, форма которой приблизительно соответствует форме формирующейся волны. Существуют λ-, Ω-, δ-, Τ-волнообразователи. Необходимо иметь в виду, что качество пайки зависит в основном от правильной настройки волны, а не от конструкции волнообразователя. С другой стороны, поскольку на качество пайки оказывает влияние большое количество факторов, волнообразователей, позволяющих полностью исключить образование дефектов, не существует. Конструкция ламинарного волнообразователя должна обеспечить наличие «мертвой» зоны, в которой припой не движется, либо движется с очень малой скоростью (Рис. 5.15). Контакт платы с волной должен происходить в «мертвой» зоне или вблизи нее. При этом верхний слой припоя должен прекратить свое движение в направлении, противоположном направлению транспортировки платы. Оксиды в «мертвой» зоне 119 должны начать двигаться в направлении транспортировки платы со скорость транспортировки. Т.е. плата должна выносить собой верхний загрязненный окислами слой припоя. Если этого по каким-либо причинам не происходит, существует опасность возникновения перемычек или «паутинки припоя» на плате. Рис. 5.15. Гидродинамика волны 5.6.1. Волнообразователь ERSA Power Wave Турбулентный волнообразователь традиционной конструкции формирует поток припоя в направлении транспортировки платы. Направление растекания припоя по плате при этом также приблизительно горизонтально в направлении транспортировки. Если на плате имеются высокие компоненты, то поток припоя при контакте с ними сильно отклоняется и не достигает контактных площадок. Следствием этого может быть отсутствие смачивания из-за случайным образом возникающих турбулентных завихрений, и образование зон затенения. При работе с ПМИ малых типоразмеров из-за малых размеров контактных площадок их смачивание становится все более затруднительным, что может привести к появлению значительного количества непропаев. Чтобы избежать появления дефектов такого характера, фирмой ERSA был разработан волнообразователь, получивший название Power Wave. Волнообразователь этого типа формирует поток припоя, направленный вертикально по отношению к плате. При этом исключается отклонение потока из-за высоких компонентов. В дополнении к этому благодаря вертикальному направлению потока обеспечивается очень хорошее проникновение припоя в переходные отверстия двухсторонних плат. Еще одним существенным преимуществом является то обстоятельство, что поток припоя может стекать по корпусу волнообразователя с двух сторон без формирования интенсивной турбулентности. Благодаря этому уменьшается контакт потока припоя с воздухом и, как следствие, оксидообразование. 120 Рис. 5.16. ERSA Power Wave 5.7. Припои. Влияние примесей на свойства припоев. Данные стандартов по примесям Влияние примесей на качество пайки. В процессе пайки волной припоя ПУ состав припоя постоянно меняется, в основном снижается содержание олова. Кроме того, припой насыщается примесями. Увеличение количества дефектов, появление матовых и пористых паяных соединений свидетельствует о загрязнении припоя примесями. Примеси оказывают влияние на текучесть припоя, припой становится более вязким, появляются перемычки и сосульки припоя, что приводит к дорогостоящим и трудоемким ремонтным работам. Дефекты пайки, вызванные примесями, могут проявляться как в процессе производства ПУ, так и в процессе эксплуатации изделия. Для достижения высоких результатов пайки необходима организация эффективного контроля примесей в припое. Контроль примесей в припое. Контроль примесей осуществляется путем химического анализа припоя. Проверка включает: • выборочный анализ нового припоя загружаемого в ванну (при пополнении или замене); • анализ в ванне установки пайки волной припоя проводится не реже 1 раза в месяц для установок с загрузкой ванны 100-110 кг и не реже 1 раза в 3 месяца для установок с загрузкой больше 300 кг. Рекомендации по взятию проб. Оловянно-свинцовые сплавы при затвердевании проявляют тенденцию к расслаиванию при медленном охлаждении, в результате этого на отдельных участках может происходить обогащение припоя примесями, что приводит к неправильным результатам анализа. Поэтому для взятия проб рекомендуется: • обеспечить температуру в ванне с припоем не ниже 240°С; • использовать черпак для взятия проб из нержавеющей стали; • взятие проб производится при включенных волнах. Результаты анализа должны содержать процентно-весовые доли следующих элементов: Cu, Ag, Au, Zn, Al, Cd, Sb, As, Bi, Fe, Ni, P. Точность измерений должна составлять 0,001%. ПДК примесей в припое. Если степень загрязнения припоя для пайки превышает установленные нормы, то следствием этого являются дефекты пайки. В связи с этим на 121 предприятиях внутренними нормативами должны устанавливаться допустимые максимальные степени загрязнения припоя и определяться периодичность анализа припоя. Влияние примесей на качество расплавленного припоя приведено в Табл. 5.6. Как видно из таблицы, требования отечественных и зарубежных нормативных документов “слегка” отличаются. Следовательно, наиболее дешевые припои, даже удовлетворяющие требованиям отечественного ОСТ 4Г 0.054.267, не обязательно наиболее экономичны с точки зрения срока жизни в ванне, надежности и качества паяных соединений. ПДК примесей в ванне НаименоваВлияние превышения предельно припоя, % допустимой концентрации (ПДК) примесей ние по ОСТ 4Г в припое на качество пайки примесей по DIN1707 0.054.267 Припой более вязкий, поверхности паек зернистые, увеличивается время смачивания, Медь 0,50 0,005 припой прилипает к ПП. Повышенное оксидообразование в ванне. Зернистая поверхность пайки, образуется Железо 0,02 0,05 FeS2 Повышает температуру плавления, зернистая Алюминий 0,008 0,001 и тусклая поверхность пайки, увеличивается Цинк 0,008 0,001 скорость окисления поверхности Кадмий 0,008 0,001 расплавленного припоя, снижается коэффициент растекания припоя. Потускнение припоя и поверхности паяного Висмут 1,0 0,01 соединения Табл. 5.6. Влияние примесей на качество расплавленного припоя Корректировка состава припоя. При превышении хотя бы одного из предельно допустимых показателей по примесям ванна для пайки считается не пригодной для использования. Однако в очень редких случаях необходима полная замена содержимого ванны, как правило, замене подвергается лишь часть припоя. Превышение допустимого предела для каждого элемента примеси (А) может быть определено по формуле: А = ((С – В) / В) * 100%, где С – результат анализа, В – допустимое значение. В результате удвоения полученного результата определяется количество припоя подлежащего замене, при этом степень загрязнения ванны по данной примеси уменьшается до 50% предельно допустимого значения. Пример: Измеренное содержание Cu в ванне составило 0,28%. Предельно допустимое содержание Cu в ванне 0,25%. Содержание ванны: 500 кг. А = ((0,28 – 0,25) / 0,25) * 100% = 12% (превышение допустимой концентрации примеси Cu на 12%). Таким образом, количество припоя подлежащего замене составляет 24% от объема ванны. Замена 24% от 500 кг = 120 кг. Необходимо заменить 120 кг припоя в ванне новым припоем. Снизить концентрацию следующих примесей в припое также возможно с применением перфорированного черпака: Cu до 0,17-0,19%, Fe до 0,01% и Au до 0,15%. 5.8. Технологические параметры • • • Основные технологические параметры процесса пайки волной: наносимое количество флюса; температура в зоне предварительного подогрева; скорость конвейера и угол наклона конвейера; 122 • • • высота волны; ширина смачивания; температура припоя. Параметры конвейера. В общем случае угол наклона конвейера в установках пайки волной припоя может регулироваться в пределах 5-9°. С увеличением угла наклона конвейера улучшаются условия для стекания избытка припоя с платы, что уменьшает вероятность образования перемычек. Однако одновременно с увеличением угла наклона ухудшается проникновение припоя в переходные и монтажные отверстия. Оптимальный угол наклона определяется также конструкцией ламинарного волнообразователя, и для установок пайки волной фирмы ERSA составляет 7°. Скорость конвейера задается с учетом температуры предварительного нагрева и времени контакта ПП с волной припоя. В общем случае для обеспечения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость в пределах 80-140 см/мин. Нанесение флюса распылением. Флюсователь распылением должен обеспечивать равномерное нанесение флюса без «сухих полос». При возникновении «сухих полос» следует либо снизить скорость конвейера, либо использовать распылительную головку с большим углом раскрытия. Если не офлюсовывается начальный участок платы, следует скорректировать параметры флюсователя таким образом, чтобы движение флюсователя начиналось раньше. Давление распыления влияет на результат флюсования следующим образом. Если оно слишком низкое, капли флюса укрупняются и имеют нестабильные размеры. В свою очередь, чрезмерно высокое давление приводит к очень мелкодисперсному распылению, что может вызвать потерю активности флюса еще в зоне предварительного нагрева. Давление распыления во флюсователях распылением фирмы ERSA, как правило, настроено на оптимальную величину, которую не следует изменять. В случае применения флюсов с высокой плотностью, таких как VOC-free (флюсы на водной основе) давление распыления следует увеличить на 10-20% по сравнению с флюсами на спиртовой основе. Пенное флюсование. Настройка пенных флюсователей производится с помощью стеклянной платы. Интенсивность подачи воздуха должна быть установлена таким образом, чтобы ширина смачивания стеклянной платы флюсом составляла около 1 см. Устанавливать интенсивность подачи воздуха более 80% не рекомендуется, т.к. это приведет к укрупнению пузырьков пены и, как следствие, к ухудшению флюсования. Если увеличением интенсивности не удается добиться требуемой ширины смачивания, следует настроить высоту флюсования, которая, как правило, составляет порядка 10мм. Предварительный нагрев. Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции ПП, а также от температуры испарения растворителя. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются следующие режимы. Тип ПП Температура на ПП, °С Односторонняя 80-90 Двухсторонняя 90-120 Многослойная (до 4-х слоев) 105-120 Многослойная (более 4-х слоев) 110-130 Табл. 5.7. Режимы предварительного подогрева для флюсов на спиртовой основе Особенное внимание следует уделить подогреву при работе с многослойными ПП, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий. При наличии на плате массивных компонентов следует использовать коротковолновые динамические нагреватели. Изменение температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью не более 2°С/сек. В случае недостаточного прогрева и неполного удаления растворителя флюса при пайке 123 происходит выделение газов в волну припоя, что приводит к образованию шариков припоя, ухудшает смачивание и может приводить к непропаям выводов компонентов. Высота волн. Механическая высота волн, т.е. расстояние от верхней точки волнообразователя до нижней стороны платы должно составлять для турбулентной волны 7 мм, для ламинарной волны 6,5 – 7 мм. Ширина смачивания. Этот параметр совместно со скоростью конвейера определяет время контакта платы с припоем. Настройка ширины смачивания производится с помощью стеклянной платы. Стеклянная плата должна быть предварительно офлюсована. Оптимальными являются следующие параметры: • для турбулентной волны 1-1,5 см, • для ламинарной волны – 3-4 см. Температура припоя в ванне. Температура припоя в ванне может устанавливаться в пределах от 240 до 260°С. Более низкая температура пайки позволяет минимизировать термоудар по электронным компонентам. Более высокая температура до 260°С как правило устанавливается при пайке многослойных плат либо плат, имеющих проблемы с паяемостью. Охлаждение ПУ после пайки рекомендуется осуществлять со скоростью от 2 до 5°С/сек с целью предотвращения теплового удара по компонентам и ПП. 5.9. Измерение технологических параметров Для того чтобы добиться хороших результатов пайки, технологические параметры должны быть правильно отрегулированы, и их необходимо поддерживать на заданном уровне. И для регулировки, и для проверки необходимо измерение параметров. Для измерения реальной температуры на поверхности ПП, времени и ширины смачивания платы припоем используются устройства измерения температурных профилей, например, Sensor Shuttle (Рис. 5.17). Рис. 5.17. Результат измерения параметров процесса пайки волной 124 5.10. Пайка в инертной атмосфере При практически полном отсутствии воздуха, т.е. в среде азота с очень низким содержанием кислорода, достигаются условия пайки, существенно отличающиеся от условий пайки в обычной атмосфере. Пайка в инертной атмосфере обладает следующими важными преимуществами: • расширяется технологическое окно процесса; • уменьшение образования оксидных пленок, склонность к образованию перемычек припоя снижена; • за счет уменьшения окисления увеличивается поверхностное натяжение, в результате чего создаются условия для улучшения смачивания и растекания припоя; • снижение расхода материалов (уменьшение образования шлама), но необходимо принимать в расчет стоимость азота высокой чистоты; • возможность использования малоактивных флюсов. Как правило, для подачи в установки пайки волной используется азот высокой чистоты с остаточным содержанием кислорода не более 5 ppm. Для получения газообразного азота такой чистоты используется сжиженный азот. Если трубопровод от испарителя до установки пайки волной проложен внутри здания и имеет длину не менее 50 м, необходимости в дополнительном нагреве азота нет. Существует два типа установок пайки волной в среде азота: с изолирующим туннелем и азотным кожухом. Системы с изолирующим туннелем обеспечивают создание защитной атмосферы не только над ванной с припоем, но и над зоной предварительного нагрева (Рис. 5.18), что уменьшает степень окисления компонентов и контактных площадок в этой зоне. Рис. 5.18. Изолирующий азотный туннель Чистота азота в рабочей зоне установки зависит от расхода азота, размера платы, высоты установленных компонентов. С помощью изолирующего туннеля можно обеспечить остаточный уровень кислорода в рабочей зоне установки менее 50 ppm. При этом необходимо обеспечить расход азота не менее 25 м3/ч при давлении 6 атм. Системы с азотным кожухом обеспечивают подачу азота только в зону над ванной с припоем. Азот подается через систему трубочек, расположенных перед турбулентной волной, между волнами и после ламинарной волны (Рис. 5.19). 125 Рис. 5.19. Азотный кожух При контакте платы с волной между платой и зеркалом припоя в ванне на короткое время образуется замкнутое пространство, в которое подается азот. В результате происходит очень быстрое вытеснение кислорода из этого пространства, и пайка происходит в азоте с чистотой, близкой к подаваемому. Рис. 5.20. Схема азотного кожуха Рассмотрим далее конкретные результаты применения азотной атмосферы при пайке волной. Эти данные собраны за шестимесячную работу реального серийного производства, на котором за этот период были запаяны тысячи ПУ. Образование шлама. Первостепенное преимущество пайки волной в азотной среде – это снижение образования шлама. Шлам состоит в основном из неокисленного припоя и небольшого количества оксидов олова и, в меньшей степени, оксидов свинца. Шлам образуется, когда расплавленный припой на поверхности ванны вступает в контакт с кислородом. Наличие тонкой пленки шлама полезно, так как предохраняет припой в ванне, замедляя окисление, но чрезмерное накопление шлама оказывает неблагоприятное влияние на процесс. Естественно, использование инертной атмосферы в значительной степени устраняет образование шлама. После более чем 3000 часов эксплуатации уровень образования шлама в установке пайке волной в среде азота установился на среднем значении 0,3 кг/ч. Эта величина слегка изменяется в зависимости от производственной загрузки, ширины паяемых ПП и от того, используется ли турбулентная волна. Вышеприведенное значение получено взвешиванием шлама, собранного в процессе очистки; при этом антиоксиданты, снижающие образование шлама, не использовались. Если мы сравним эту цифру со средними данными при пайке в воздушной среде - 2,08 кг/ч, то обнаружим, что образования шлама было снижено более чем на 85%. Техническое обслуживание и период продуктивной эксплуатации. Техническое обслуживание ванны с припоем может быть очень трудоемким. Шлам должен извлекаться довольно часто для того, чтобы обеспечить корректное функционирование волнообразователей и необходимые характеристики волны и, следовательно, воспроизводимый процесс пайки. А когда производство работает в три смены, 24 часа в сутки, проведение технического обслуживания снижает период продуктивной эксплуатации сборочной линии. Уменьшение образования шлама потребует выполнения меньших объемов технического обслуживания и позволит достичь более высокой производительности. В то время как до внедрения использования азота техническое обслуживание производилось 4-5 раз в день (2,0-2,5 ч/день), после этого оно было 126 Де ф. на млн. снижено до 30-минутной операции раз в день, что существенно меньше. Таким образом, время полезной работы линии увеличивается на два часа в день. Кроме того, сокращение технического обслуживания обеспечивает большую гибкость. Влияние на качество и анализ дефектов. Как объясняется в многочисленных публикациях, пайка в атмосфере азота видоизменяет два основных параметра, которые влияют на качество пайки волной: • азот уменьшает окисление, что приводит к снижению образования шлама и объема технического обслуживания; • азот увеличивает поверхностное натяжение, что повышает смачивание. Так как шлам может приводить к образованию дефектов, а смачивание – показатель качества паяных соединений, ожидалось, что внедрение пайки в азоте повысит качество ПУ. С этим связано “расширенное окно технологического процесса”, о котором все говорят, когда речь заходит о пайке в среде азота. Процесс становится менее требовательным при пайке в азотной атмосфере, чем в воздушной. Окно технологического процесса может быть больше, но необходимо ли это, и имеет ли это эффект на надежность и уровень дефектов? На Рис. 5.21 приведено число дефектов на миллион (ppm) до и после перехода на пайку в среде азота для конкретной “проблемной ПП”. С внедрением азота уровень дефектов снизился со 150 ppm до 60-70 ppm. Было достигнуто суммарное сокращение уровня дефектов порядка 55-60%. Уровень всех типов дефектов при пайке данного типа изделий снизился и, следовательно, можно говорить об общем преимуществе, которое должно распространиться и на другие типы ПУ. 1 50 1 00 В озд ух А зот 50 0 Вс его Перемычки припоя Де фекты смачивания Рис. 5.21. Анализ дефектов: пайка в воздушной и азотной средах 5.11. Пайка бессвинцовыми припоями Пайка волной – технологическая операция сборочно-монтажных работ, на которую переход на бессвинцовые припои окажет наиболее сильное воздействие. Каждому технологу придется рассматривать влияние перехода на бессвинцовые припои на существующий техпроцесс. Некоторые примеры пайки волной бессвинцовыми припоями показали, что для технолога необходимо рассмотрение следующих вопросов: учащение возникновения перемычек припоя, отслаивание галтели, отслаивание контактной площадки или разрыв соединения, увеличение провисания ПП, размывание паяльной ванны, потенциальная опасность размывание медных проводников. Требования к оборудованию. Паяльные ванны, волнообразователи и прочая оснастка, используемая при пайке волной традиционными припоями, не может применяться при пайке бессвинцовыми припоями. Это связано с тем, что из-за высокого содержания олова в припое будет наблюдаться разрушение материала (нержавеющей стали), см. Рис. 5.22. 127 Рис. 5.22. Эрозия ванны из нержавеющей стали в результате взаимодействия с припоем SnAgCu Альтернативными материалами для изготовления узлов установок могут быть титан, хастелой (коррозионностойкий никелевый сплав), керамика, чугун. Другим вариантом может быть покрытие поверхностей деталей различными материалами: керамикой, эмалями, краской, а также пассивация. Изменения также должны быть внесены в конструкцию волнообразователей. Дело в том, что бессвинцовые припои окисляются в значительно большей степени, чем традиционные. Поэтому сток припоя из рабочей зоны волны в ванну может быть затруднен. Конструкции волнообразователей должны быть изменены для обеспечения беспрепятственного стока припоя в ванну. а) б) Рис. 5.23. Старая (а) и новая (б) конструкция ламинарного волнообразователя Сравнение бессвинцовых припоев для пайки волной. Для того чтобы альтернативный припой стал признанной заменой свинцовосодержащего, он должен удовлетворять следующим требованиям: • доступность в достаточном количестве; • совместимость с существующими техпроцессами; • пригодная температура плавления; • высокая прочность соединений; • схожесть тепло- и электропроводности с припоем Sn/Pb; • легкость ремонта; • нетоксичный; • низкая стоимость. Международный исследовательский институт олова основал технологический центр пайки бессвинцовыми припоями (SOLDERTEC) для распространения передовой 128 информации и сужения выбора припоев. В Табл. 5.8 приведена оценка, выполненная SOLDERTEC, некоторых бессвинцовых припоев по различным параметрам по десятибалльной шкале (“1” – хорошо, “10” – плохо). Параметр Температура пайки Сопротивление отслоению галтели Паяемость Технологичность Надежность Пригодность к переработке Стоимость Доступность Общее число очков Припой Sn/Ag/Cu Sn/Cu0,7 /Sb 3,5 6 Sn/Bi/Ag Sn/Zn/Bi 2 1 2,5 5,5 5,5 3 1,5 1,5 2,5 5 5 4 2,5 1 4 5 5 10 10 6 6 4,5 4 23 1,5 1,5 28 4,5 5 32 1,5 6 46 Sn/Ag3,5 Sn/Ag/Cu 5 3,5 2,5 2,5 2,5 4 3 3 2,5 2 1,5 1,5 2,5 4,5 1,5 26 4,5 3 21 Табл. 5.8. Сравнение припоев (по данным SOLDERTEC) Выбор сплава Sn/Cu0,7 для пайки волной во многом объясняется его невысокой стоимостью и доступностью. Диаграмма состояния сплавов системы Sn-Cu показана на Рис. 5.24. В области предельно большого содержания олова имеется эвтектическая точка при 0,7 массовых процентах меди, что делает этот сплав совместимым с материалами, применяющимися при сборке в настоящее время. Кристаллизация до некоторой степени подобна эвтектическим системам Sn-Pb. И медь, и олово широко доступны, а то, что система двухкомпонентная, минимизирует вероятность образования фаз с низкой температурой плавления, которая выше для трехкомпонентных систем. Рис. 5.24. Диаграмма состояний двойной системы Sn/Cu 129 5.12. Дефекты пайки и способы их устранения Дефект Раковины Иллюстрации Причины возникновения • Выделение газов из платы во время пайки: влага, имеющаяся в плате, выходит через тонкую металлизацию или через пустоты в металлизации Приподнятый компонент • Неправильная длина выводов: выводы задевают край волнообразователя, компонент приподнимается • Различная паяемость выводов • Изгиб платы • Легкие компоненты приподнимаются под воздействием турбулентной волны Неполное заполнение припоем монтажных отверстий • Неправильное соотношения диаметров вывода и отверстия (рекомендуемый диаметр отверстия = диаметр вывода + 0,25 мм) Плохое заполнение монтажных отверстий • Недостаточное флюсование • Недостаточный предварительный нагрев • Недостаточное время контакта с волной • Отсутствие контакта с волной Шарики припоя • Интенсивное испарение флюса при контакте с волной • Чрезмерная турбулентность при стекании припоя в ванну, вызывающая разбрызгивание • Чрезмерная дегазация платы 130 Флажки припоя • Недостаточное флюсование • Плохое отделение платы от волны. Необходимо, чтобы в области отделения скорость течения припоя равнялась скорости движения платы Перемычки припоя • Недостаточное флюсование • Неправильный предварительный нагрев • Слишком большое время контакта с волной припоя Рекомендация: • Уменьшить длину выводов и размеры контактных площадок Непропай • Неправильная высота турбулентной волны • Интенсивное испарение флюса с нижней стороны платы • Неправильное позиционирование платы в пальчиковом конвейере или в палете • Слишком большая толщина паяльного резиста • Слишком большой диаметр монтажного отверстия, припой вытекает из отверстия • Неправильный предварительный нагрев • Недостаточное флюсование Осевшие паяные соединения Табл. 5.9. Основные дефекты пайки волной В Табл. 5.10 сгруппированы дефекты пайки волной и возможные причины их возникновения, из которых однозначно следуют способы их устранения. Возможные Дефекты 131 Процесс Дефектная фиксация Повторные проход ПП ПП неправильно закреплена Преждевременное извлечение ПП Недостаточный угол наклона конвейера Слишком большой угол наклона конвейера Вибрация конвейера Недостаточная скорость конвейера Слишком большая скорость конвейера Слишком высокая температура палет Отсутствие удаления избытков флюса Чрезмерное удаление избытков флюса Неравномерность флюсования Недостаточная высота пены при пенном флюсовании Отсутствие контакта с флюсом Снижение активности флюса до недопустимого уровня Слишком высокая плотность флюса Слишком низкая плотность флюса Загрязнение флюса Недостаточное кол-во припоя в отверстии Недостаточное кол-во припоя (сторона пайки) Устранение способности смачиваться Пустоты в паяном соединении, дегазация Непропай Избыток припоя (сторона компонентов) Избыток припоя (сторона пайки) Избыток припоя (обе стороны) Сосульки Образование перемычек Образование перепонок Шарики припоя и разбрызгивание Неровность припоя Зернистость припоя “Холодная” пайка Раскрытые паяные соединения Улавливание флюса Дефекты паяльной маски Образование пузырей Покрытие пятнами Поднятие компонентов Коробление Затекание припоя на верхнюю сторону ПП Чрезмерное образование шлама Чрезмерный расход флюса Чрезмерный вынос припоя причины возникновения дефектов ●● ●●● ●●●● ● ●●●●●●●●● ●●●●●●●●● ● ● ● ●●● ●●● ●● ●●● ●●● ● ● ●●●● ●● ● ● ● ●●● ●● ●● ●●● ●●●●● ● ●●●●●●●●● ●●●●● ● ●●● ● ●● ●● ●●● ●● ● ●●● ●● ● ● ● ● ● ●● ● ●●● ●●●●● ●●●●● ●● ●●●●● ●●● ● ●●●●● ●●● ● ●●●●● ● ●●●●● ● ●●●● ● ●●●●● 132 ● ● ●●● ● ●● ●● ● ●●●● ●●●● ПП и компоненты Производство Конструкция ●●●● ●● ● ●●●● ●●● Слишком низкая температура предварительного подогрева ●● Слишком высокая ● ●●● ● ●●● ●● температура предварительного подогрева Чрезмерное образование ● ●● шлама Загрязнение припоя ●●● ●●●●● ●●●● ● Неравномерность волны ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● припоя Слишком малая высота ● ● ● ● ● ●● ● волны припоя Слишком большая высота ● ● ● ● ● ●● волны припоя Слишком низкая ● ●● ●● ●●● ●●● ● температура припоя Слишком высокая ●● ● ● ● ● ●● ●●● ●●● температура припоя Неправильное обращение ● ● ● ● ● ●●● ● ● с ПП Слишком малая длина ● выводов компонентов Слишком большая длина ●●● ● выводов компонентов Загрязнение компонентов ● ● ● ● ● ●●● ●● ● Загрязнение ПП ●●●●● ●●●● ●●● ● ● Шероховатость покрытия ● ● ● ● металлизированных отверстий Коробление ПП ●● ●●● ●● Смещение отверстия / ●● ●● контактной площадки Влага в слоях ПП ● ● ● Дефектная паяльная ●● ●●● ●●● маска Смещение паяльной ●● ●● маски Наличие паяльной маски ● ● ● ● в отверстиях Загрязнение ПП ●●●●● ●●●● ●●● ●●● ● Окисление ПП ●●●●● ●●● ● Распределение массы ●● ●●● ●● Размеры ПП ● ●● Ориентация компонентов ●● ●● Слишком большое ●● ●●● отношение диаметр отверстия / диаметр вывода 133 ● ● ● ● ● Слишком малое отношение диаметр отверстия / диаметр вывода Внутренний слой Большой внешний слой со стороны пайки Большой внешний слой со стороны компонентов Конструкция палет ● ● ●● ●● ● ● ● ●● ● ●● ●●● ●●● ●●● ●● ●●●●● ● ● ●●● ●● Табл. 5.10. Дефекты и причины их возникновения 5.13. Литература 1. 2. 3. 4. 5. Bob Willis. Lead-Free Wave Soldering Evaluation Update Electronic Production. Part 17: Preheat for wave soldering Electronic Production. Part 27: Flux Applecation Jason M. Smith. Basic Metallurgy and Wavesoldering Trends M. Theriaunt, P. Wolf, R. Passman, K. Redwitz. Improving the wave soldering process with new nitrogen retrofit systems 6. R. J. Klein Wassink. Soldering in Electronics. Second Edition. – Electrochemical Publications, 1989 134 6. Селективная пайка 6.1. Введение Дальнейшая миниатюризация компонентов, увеличение плотности монтажа ведет к тому, что традиционная технология пайки волной постепенно отходит на второй план. В последнее время все большую популярность приобретает технология двусторонней пайки оплавлением. Это и естественно, поскольку технология пайки оплавлением обеспечивает минимальное количество дефектов пайки. Однако очень часто на ПУ, спаянный по технологии двусторонней пайки оплавлением, необходимо припаять несколько компонентов, монтируемых в отверстие (рис.1.1). Рис. 1.1 ПУ с небольшим количеством компонентов, монтируемых в отверстие Как поступить в этом случае? До последнего времени на производствах обычно использовалась пайка паяльником или пайка волной с использованием масок. При ручной пайке паяльником качество пайки зависит от квалификации оператора, а внешний вид паяных соединений не является постоянной величиной. В Западной Европе в некоторых отраслях, например в автомобилестроении, ручная пайка запрещена как процесс, не обеспечивающий стабильных параметров и постоянное качество паяных соединений. Особое значение стабильные параметры пайки приобретают в связи с внедрением бессвинцовых припоев. Незначительный перегрев компонента приводит к выходу его из строя или повреждение соседних участков платы. Пайка волной с использованием масок осуществляется на специальных установках, обеспечивающих вертикальное перемещение печатного узла до касания его с волной припоя. ПУ устанавливается в специальную маску, в которой выфрезерованы отверстия только напротив участков, подлежащих пайке. Такие системы обеспечивают достаточно высокую производительность, однако очень критичны с точки зрения количества дефектов, особенно это относится к разъемам с многорядным расположением выводов. Для преодоления вышеназванных недостатков в последнее время на рынке появились системы пайки миниатюрными волнами, названные системами селективной пайки. Областью применения селективной пайки является пайка компонентов, монтируемых в отверстие. Часто у пользователей существует совершенно неверное представление о том, что селективная пайка – это то же самое, что и пайка волной. На первый взгляд можно провести определенные параллели. И в том, и другом случае пайка производится расплавленным припоем. Операции пайки предшествуют флюсование и предварительный нагрев печатного узла. Но на самом деле селективная пайка коренным образом отличается от пайки волной, и эти две технологии не следует смешивать. В чем же это отличие? Оно заключается в ином характере теплообмена между расплавленным припоем и печатным узлом. При пайке волной вся нижняя сторона ПП вместе с находящимися на ней 135 компонентами приводится в соприкосновение с жидким припоем. При селективной же пайке припой только частично касается нижней стороны ПП. К тому же объем припоя, касающегося ПП, гораздо меньше, чем при пайке волной. Поэтому расплавленный припой при селективной пайке охлаждается значительно более интенсивно. Особенно критично это при пайке протяженных разъемов. В этом случае внешние выводы отдают больше тепла плате, чем внутренние. Это приводит к разнице температур на разъеме. Для получения качественных паяных соединений необходимо тщательно подбирать параметры процесса. При селективной пайке в отличие от пайки волной использование азота является обязательным. В противном случае не обеспечивается удовлетворительное качество пайки. Расход азота при селективной пайке существенно меньше, чем при пайке волной. Поэтому в большинстве случаев для получения азота используются газогенераторы. 6.2. Технологии селективной пайки Существует две основных технологии селективной пайки: • технология одновременной пайки – Multiwave; • технология последовательной пайки – пайка микроволной. Технология Multiwave предпочтительна в условиях крупносерийного производства, поскольку обеспечивает высокую производительность. Пайка производится с использованием специального волнообразователя, который открывает доступ припоя только к участкам ПУ, подлежащим пайке. В этом случае реализуется, по сути, метод пайки погружением. Как и при пайке волной, здесь за одно касание припоя печатного узла образуется сразу большое количество паяных соединений, с той разницей, что для каждого ПУ требуется специальный волнообразователь (см. рис. 2.1). Рис. 2.1 Печатный узел и предназначенный для него волнообразователь При реализации данного метода возможен либо подъем волнообразователя до уровня ПУ с последующим подъемом уровня припоя в волнообразователе, либо при неподвижном волнообразователе опускание ПУ и подъем уровня припоя. И в том, и другом случае необходимо обеспечить зазор между ПУ и волнообразователем примерно 0,2 мм В этой технологии существует несколько аспектов, на которые необходимо обратить внимание. 136 Рис. 2.2 Уровень припоя в волнообразователе поднят до рабочего уровня • • • • • Волнообразователь должен быть нагрет до температуры припоя. В противном случае тепло припоя будет тратиться на нагрев волнообразователя, и результаты пайки будут неудовлетворительными. Поэтому припой должен постоянно касаться волнообразователя. При поднятом уровне припоя он не должен фонтанировать из отверстий волнообразователя (см. рис. 2.2). В противном случае возможно смытие расположенных рядом поверхностно-монтируемых компонентов. Перед началом пайки необходимо удалить слой окислов с поверхности припоя. Это достигается кратковременным поднятием уровня припоя перед пайкой для того, чтобы стек верхний слой, покрытый окислами. Конструкция волнообразователя должны быть такой, чтобы уровень припоя во всех форсунках был одинаков. Прогиб и деформация ПУ не допускается. Обычно это достигается добавление в конструкцию волнообразователя упоров, которые распрямляют ПУ и обеспечивают необходимый зазор между ПУ и волнообразователем. Технология пайки микроволной преимущественно используется в условиях многономенклатурного производства. Микроволна формируется в специальной форсунке. Форсунка перемещается относительно ПУ либо за счет перемещения ПУ, либо за счет перемещения форсунки. Таким образом обеспечивается доступ к каждому соединению, подлежащему пайке. Данный метод реализует по существу способ пайки, называемый пайкой протягиванием. Пайка протягиванием может применяться как для отдельных выводов, так и рядов выводов. Для обеспечения стабильного процесса диаметр форсунки должен быть не менее 4,5 мм. Чем больше диаметр форсунки, тем стабильнее процесс. Для формирования качественного паяного соединения точность позиционирования форсунки должны быть такой, чтобы смещение центра форсунки от центра паяного соединения не превышало 0,5 мм. Существует два типа форсунок: • с предпочтительным направлением стекания припоя (рис. 2.3); • без предпочтительного направления стекания припоя (рис. 2.4) В форсунках первого типа направление стекания припоя задается ее конструкцией. Для уменьшения риска образования перемычек направление движения форсунки должно выбираться таким образом, чтобы припой стекал с передней стороны форсунки. 137 Рис. 2.3 Форсунка с предпочтительным направлением стекания припоя Недостатком форсунок данного типа является то, что при их использовании пайка должна производиться всегда в одном направлении. Отсюда сложность программирования систем с такими форсунками и низкая производительность. При использовании форсунок этого типа, как и при пайке волной, необходимо предусматривать ловушки припоя для разъемов с рядным расположением выводов. ПУ должен быть расположен в конвейере под углом порядка 10 градусов. Форсунки без предпочтительного направления стекания припоя обеспечивают меньшее количество перемычек за счет увеличения усилия отрыва припоя с паяного соединения из-за соответствующего выбора материала форсунки. Материал форсунки в этом случае должен смачиваться припоем. Лучшие условия для отрыва припоя при отделении от паяного соединения создаются за счет силы смачивания припоем форсунки. Рис. 2.4 Форсунка с предпочтительным направлением стекания припоя Преимущества форсунок данного типа заключается в повышении качества паяных соединений за счет уменьшении количества перемычек. Кроме этого облегчается программирование, т.к. нет предпочтительного направления стекания припоя, отсутствует необходимость пайки под углом. Нет необходимости в ловушках припоя. Недостатком таких форсунок пониженный срок службы из-за взаимодействия расплавленного припоя с материалом форсунки. 138 6.3. Установки селективной пайки Как и установки пайки волной, установки селективной пайки состоят из флюсователя, модуля предварительного нагрева и модуля пайки и транспортной системы, обеспечивающей перемещение печатных узлов от модуля к модулю. Рассмотрим каждый из модулей установок селективной пайки более подробно. 6.3.1. Транспортная система По конструктивному исполнению установки селективной пайки бывают конвейерного типа и с манипуляторами. В установках конвейерного типа печатные узлы неподвижны, а тигель с припоем и установленным на нем волнообразователем перемещается под платой. В системах с манипуляторами неподвижен тигель, а печатный узел, зафиксированный в манипуляторе, перемещается. Системы с манипуляторами только на первый взгляд кажутся гибкими. Для перемещения плат в них используются механические захваты, которые при многономенклатурном производстве представляют достаточно высокую статью затрат. Механические захваты имеют большую массу, что при их перемещении ведет к существенной инерционной нагрузке на печатные узлы. Известно, что при сотрясении печатного узла в момент затвердевания образуются матовые крупнозернистые паяные соединения с неопределенным переходным сопротивлением и очень плохими механическими свойствами. Чтобы избежать сотрясений, необходимо программировать время ожидания для затвердевания припоя, что существенно снижает производительность установок такого типа. 6.3.2. Флюсование В отличие от пайки волной, при селективной пайке припой касается только отдельных участков ПУ. Поэтому и флюс должен наноситься только на участки ПУ, подлежащие пайке. В противном случае флюс, не потерявший активность из-за отсутствия соприкосновения с припоем, может вызвать коррозию ПУ. Обычно селективное нанесение флюса достигается установкой флюсователя на роботизированную систему, перемещающуюся под ПУ с высокой точностью позиционирования. Точность позиционирования флюсователя должна быть не хуже 0,15 мм. Существует три способа нанесения флюса, которые могут быть применены для селективной пайки: • капельное флюсование; • ультразвуковое флюсование; • флюсование распылением. На современных ПУ из-за малого шага компонентов часто остатки флюса не допускаются. Даже если речь идет о флюсах, не требующих отмывки. В этом случае с успехом применяется капельный метод нанесения, при котором флюс распыляется до мельчайших капель. При этом достигается очень равномерное распределение флюса по поверхности. Соседние участки ПУ не загрязняются. При взаимодействии с припоем флюс полностью удаляется. На рисунке 3.1 приведен пример капельного нанесения. 139 Рис. 3.1 Пример работы капельного флюсователя 6.3.3. Модули предварительного нагрева Процесс селективной пайки в большинстве случаев требует предварительного нагрева печатных узлов. Тем не менее, иногда при пайке ПУ на тонких или гибких платах предварительный нагрев можно не использовать. В общем случае предварительный нагрев необходим по следующим причинам: • Растворитель, входящий в состав флюса должен испариться перед началом пайки, в противном случае возможно разбрызгивание припоя • Если ПУ слишком холодный, тепло расплавленного припоя будет расходоваться на нагрев платы. Результат – плохое заполнение монтажных отверстий. • Уменьшение термического напряжения ПУ за счет уменьшения температурного градиента по ПУ. Обычно в установках селективной пайки используются инфракрасные нагреватели. При их использовании возможны относительно высокие температурные градиенты по поверхности ПУ. В большинстве случаев это не является критичным. Комбинация инфракрасного нагрева и конвекции – альтернативный способ нагрева, который обычно используется при работе с многослойными платами и/или флюсами на водной основе (VOC-free). Данный метод обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, однако сопровождается выделением значительного количества тепла внутрь установки, что может отрицательно сказаться на точности позиционирования подвижных устройств. Поэтому при использовании конвекционных модулей предварительного нагрева установки селективной пайки должны снабжаться эффективной вытяжкой для удаления выделяющегося тепла. 140 Рис. 3.2 Конвекционные модули предварительного нагрева 6.3.4. Модуль пайки В современных установках селективной пайки для подачи припоя в волнообразователь используются электромагнитные системы. Механические детали – двигатели, валы, подшипники, крыльчатки отсутствуют. Благодаря этому повышается надежность системы и уменьшаются затраты на обслуживание. 6.4. Технологические параметры селективной пайки По сравнению с пайкой волной при селективной пайке требуется повышенная температура припоя в тигле из-за небольшой массы припоя, участвующего в создании паяного соединения. • • • • • Пайка с применением специального волнообразователя Параметры, подлежащие контролю: Температура припоя в тигле: o для свинцовосодержащего припоя 275 °C - 300 °C; o для бессвинцового припоя 300 – 310°С. Скорость погружения 20 - 25 мм/сек. Число оборотов двигателя волнообразователя – в зависимости от количества отверстий в волнообразователе и их геометрии. Время погружения: около 1 - 3 сек. Скорость извлечения из припоя : примерно 2 мм/сек. Пайка микроволной Метод пайки микроволной по сравнению с пайкой погружением характеризуется существенно большей интенсивностью теплообмена из-за течения припоя и перемещения платы. Тем не менее из-за малого объема припоя, участвующего в формировании паяного соединения, температура припоя в тигле не отличается от температуры при пайке погружением. • Температура припоя в тигле: o для свинцовосодержащего припоя 275 °C - 300 °C; 141 для бессвинцового припоя 300 – 310°С. • Скорость протягивания, типичные значения 10 – 25 мм/сек. • Угол наклона, типичное значение 10°. • Скорость вращения двигателя, в зависимости от выбранной форсунки. Необходимо правильно выбирать диаметр форсунки в зависимости от соединений, подлежащих пайке. o В обоих случаях высота волны всегда должна быть постоянной. Для этого установка селективной пайки должна обеспечивать: • периодический контроль уровня припоя в тигле и автоматическую загрузку припоя для обеспечения постоянного уровня; • измерение высоты волны (при пайке микроволной) и поддержание заданных параметров двигателя волнообразователя. 6.5. Управление внешним видом паяного соединения Известно, что избыток припоя в паяном соединении снижает его надежность. Поэтому предпочтительной является вогнутая форма паяных соединений. С помощью современных установок селективной пайки появилась возможность управлять внешним видом каждого паяного соединения. Рассмотрим подробнее, какие факторы влияют на количество припоя, остающееся в паяном соединении. Основными движущими силами, влияющими на образования паяных соединений, являются смачиваемость и капиллярность, благодаря которым припой затекает в зазор между выводом и стенками монтажного отверстия и удерживается там. В этом нет ничего нового. И смачиваемость, и капиллярность зависят от поверхностного натяжения припоя. За количество припоя, которое останется в паяном соединении, отвечает распределение сил, действующих при отрыве припоя от соединения. Вверх действуют сила капиллярности (Fk) и сила смачивания припоем вывода компонента и стенок и контактных площадок монтажного отверстия (Fc), вниз – сила тяжести (Fg) и сила смачивания припоем форсунки (Fф) (см. рис. 5.1). Рис. 5.1 Распределение сил при отрыве припоя от соединения Уменьшения количества припоя в паяном соединении можно добиться, уменьшив силу капиллярности и силу смачивания или увеличив силу смачивания припоем форсунки. Силу капиллярности и силу смачивания можно уменьшить за счет изменения конструкции ПУ. Силу капиллярности можно уменьшить, увеличив диаметр монтажного отверстия. Однако обычно диаметр монтажного отверстия – величина, не подлежащая изменению. Силу смачивания можно уменьшить за счет: • уменьшения размеров контактных площадок; • уменьшения длины выводов. 142 Силу стягивания можно увеличить, применив, как отмечалось выше, форсунки, смачивающиеся припоем. Если же в дополнение к конструктивным способам влияния изменить направление течения припоя в момент отрыва, можно в еще большей степени влиять на форму паяного соединения. Современные установки селективной пайки, например установка фирмы ERSA Versaflow, позволяют программно регулировать момент и продолжительность включения обратного течения припоя. Таким образом можно независимо регулировать форму каждого паяного соединения (см. рис. 5.2, 5.3 и 5.4). Рис. 5.2 Внешний вид паяного соединения в условиях обычного отрыва Рис. 5.3 Внешний вид паяного соединения при обратном включении течения припоя Рис. 5.4 Управление внешним видом каждого паяного соединения 143 6.6. Правила конструирования ПУ для селективной пайки Требования к конструкции ПУ зависят от применяемой технологии селективной пайки и оборудования. Но существуют базовые правила конструирования, которые необходимо выполнять для успешного применения технологии селективной пайки: • Длина выводов, подлежащих пайке. В общем случае длина выводов должна находиться в пределах 0,8-2 мм. Длина выводов более 2 мм, как правило, не допускается. • Размеры контактных площадок. При конструировании необходимо максимально уменьшать размеры контактных площадок. • Расстояние между контактными площадками. Минимально допустимое расстояние между контактными площадками составляет 0,4-0,6 мм • Расстояние до соседних компонентов, не подлежащих пайке. Это расстояние зависит от применяемого волнообразователя. Обычно оно лежит в пределах 1-4 мм. • Шаг выводов компонентов, подлежащих пайке. Зависит от технологии селективной пайки. Для пайки со специальным волнообразователем шаг выводов не должен быть меньше 2,54 мм. Для пайки микроволной – не меньше 1,2 мм. • Не следует размещать контактные площадки на элементах платы, характеризующихся высокой теплопроводностью. Более 80% дефектов селективной пайки – это перемычки припоя. От правильного выбора вышеуказанных параметров в значительной степени зависит количество дефектов (см. рис. 6.1). Короткие выводы Маленькие КП Большие КП неправильное размещение земляной шины Длинные выводы Рис. 6.1 Селективная пайка не прощает ошибок конструкторов 6.7. Литература 1. J. Friedrich. Selektivlöten - die heutige Praxis. 2. G. Diepstraten Robotic Selective Soldering, an Enabling Soldering Technique. 3. G. Diepstraten, Auf den Prozess kommt es an. 144 7. Термокомпрессия 7.1. Описание технологической операции и технологические параметры Соединение с помощью токопроводящих клеев – технология, главным образом использующая для присоединения дисплеев к ПП посредством гибких шлейфов. С помощью этой технологии можно обеспечивать соединения с платой любых поверхностно-монтируемых компонентов. Принцип данной технологии заключается в следующем (Рис. 7.1). Между компонентом и ПП помещается клей в форме пленки или пасты. Паста может наноситься методом трафаретной печати или дозированием. Для нанесения клея методом трафаретной печати, как правило, используются трафареты толщиной 0,1-0,15 мм. Процесс установки компонента аналогичен установке компонентов при применении паяльных паст. Повышенные требования к точности установки предъявляются для компонентов с шагом менее 1,27 мм. Нагревательный элемент (обычно называемый термодом), нагретый до температуры 150-180°C, прижимает подсоединяемый компонент к ПП на 10-30 сек. Проводящие частицы клея образуют электрическое соединение. Нанесение пленки и удаление носителя адгезивной пленки Установка компонентов Нанесение клея через трафарет Полимеризация клея Совмещение выводов компонентов с контактными площадками Монтаж обычных компонентов стандартными методами Рис. 7.1. Технология создания соединений методом термокомпрессии Так как давление прикладывается только по вертикали, электрическое соединение будет образовано только в этом направлении. Вследствие низкого содержания наполнителя (1-5%) короткое замыкание между соседними соединениями не может иметь место. 7.2. Анизотропные и изотропные клеи для соединения материалов методом термокомпрессии 7.2.1. Общая характеристика Токопроводящие клеи значительно отличаются от припоев. Эти отличия создают целый ряд преимуществ, которые приведены ниже. Не каждый клей обладает данными характеристиками, но токопроводящие клеи потенциально могут иметь все эти достоинства в одном материале. Преимущества токопроводящих клеев: • совместимость с большим спектром поверхностей, включая непригодные к пайке; 145 • • • • • низкая температура обработки; низкая термомеханическая усталость, высокая стойкость к термоциклированию; низкое содержание или полное отсутствие летучих органических соединений; нет остатков, высокое поверхностное сопротивление изоляции; сниженные требования к предварительной и последующей очистке, нет очищающих средств и оборудования для отмывки; • отсутствие свинца и других токсичных металлов; • широкое технологическое окно процесса, простое управление техпроцессом; • возможность применения для компонентов с меньшим шагом выводов; • не требуется паяльная маска. Ограничения: • меньшая механическая прочность; • отсутствие самовыравнивания компонентов; • использование некоторых клеев требует наличия специальных покрытий на компонентах и ПП; • более высокое электрическое сопротивление; • более высокое тепловое сопротивление; • более высокая сложность ремонта. Наиболее распространенные токопроводящие клеи – термореактивные эпоксидные клеи с серебряным наполнителем, которые обычно выпускаются в виде тиксотропных паст. Они используются для электрического соединения и механического крепления компонентов к ПП. Для активации катализатора или сореагента отвердителя наиболее часто используется нагрев, под действием которого паста преобразуется в прочное электропроводящее твердое вещество. Вещества, которые одинаково проводят во всех направлениях, относятся к изотропным токопроводящим клеям. Эти термореактивные токопроводящие клеи с металлическим наполнителем многие десятилетия использовались в качестве материалов для присоединения кристаллов и до сих пор являются наиболее широко применяемыми материалами при корпусирования интегральных микросхем. Термореактивные клеи с металлическим наполнителем стали использоваться для монтажа компонентов сравнительно недавно. Новые материалы на основе полимеров используются сейчас для замены металлургических припоев, особенно при сборке ПУ по технологии поверхностного монтажа. Также было разработано несколько других типов клеев. Термопластичные клеи с серебряным наполнителем выпускаются как в виде пасты, так и пленок. Пленки нашли использование в основном в качестве клеев для крепления кристаллов. Термопластичные пасты изготовляются путем растворения полимерных смол в растворителях и последующего добавления проводящих наполнителей. Некоторые коммерчески доступные термопластичные токопроводящие пасты могут использоваться в качестве клеев для монтирования компонентов, но они не так хорошо подходят для этих целей, как термореактивные. Анизотропные токопроводящие клеи представляют другой большой класс полимерных клеящих веществ. Как следует из названия, анизотропные клеи обеспечивают однонаправленную проводимость в вертикальном направлении (по оси Z), см. Рис. 7.2. Компонент Печатная плата Рис. 7.2. Однонаправленная проводимость клея 146 Направленная проводимость достигается благодаря использованию относительно малой объемной доли проводящего наполнителя. Низкая объемная доля проводящего наполнителя, будучи несущественной для обеспечения контакта между частицами, предотвращает проводимость в горизонтальном направлении. Клей, проводящий в направлении оси Z, в форме пленки или пасты наносится между поверхностями, подлежащими соединению. Приложение давления и нагревание приводит к тому, что проводящие частицы смещаются в область между противоположными проводниками склеиваемых объектов. Как только создается целостность цепи, диэлектрическое полимерное связующее вещество отверждается термоиницированной химической реакцией (термореактивные клеи) или охлаждением (термопластичные клеи). Отвержденный диэлектрический полимер скрепляет собранное изделие и помогает поддерживать электрический контакт между проводниками и проводящими частицами. Анизотропные токопроводящие клеи в настоящее время используются для монтажа дисплеев с плоским экраном, ИС на ленте-носителе (TAB) и ПМИ с малым шагом выводов. 7.2.2. Типы полимеров Выше были кратко описаны основные типы полимеров: термореактивные и термопластичные. Рассмотрим их особенности и области применения более подробно. 7.2.2.1. Термопласты Термопластичные связующие вещества – т.е. полимеры, которые уже полимеризованы – не нашли такого широкого распространения при сборке ПУ, как термореактивные изотропные проводящие клеи. Одна из проблем заключается в том, что используемые термопластичные полимеры – твердые вещества, которые должны быть либо расплавлены, либо растворены перед использованием. Очень ограниченное применение изотропные термопластичные полимеры нашли при сборке калькуляторов. Технологические сложности существенно ограничили их область применения. В анизотропных токопроводящих клеях используются термопластичные связующие вещества, так как они не требуют выборочного нанесения. Большинство анизотропных клеев поставляются в виде пленки. Материал сначала наносится на ПП (и иногда на компонент). Так как электропроводность возникает только в направлении по оси Z, где прижимаются противоположные проводники, пленка может быть нанесена на всю поверхность ПП. Монтаж осуществляется путем прижима компонентов к покрытым клеем контактным площадкам. При этом производится нагрев. Термопластичное связующее вещество размягчается и образует соединение с поверхностями. Термопластичные материалы могут быть также смешаны с термореактивными полимерами для расширения области применения. Необходимо акцентировать внимание на том, что термопластичные материалы могут быть переплавлены. Они, в отличие от термореактивных, не видоизменяются во время нагрева при сборке. Также они отлично хранятся и не требуют хранения в холодильнике, как однокомпонентные термореактивные материалы. 7.2.2.2. Термореактивы Термореактивные полимеры полностью оправдывают свое название. Нагрев “активирует” их и навсегда изменяет свойства. Большинство термореактивных систем, особенно пасты, используемые в изотропных токопроводящих клеях, – исходные вещества для полимеризации. Эпоксидные клеи, как правило, состоят из низкомолекулярной жидкости с реакционно-способными эпоксидными группами и сореагирующим отвердителем. Подвод тепла приводит к протеканию химической реакции между двумя компонентами с образованием высокомолекулярных полимеров сетчатой структуры. Узлы полимерной сетки, или химические связи между смежными 147 полимерными цепями, обеспечивают термореактивные характеристики устойчивости формы при нагревании. Термопластичные материалы состоят из полимерных цепей, которые являются независимыми (несвязанными). Нагрев позволяет отдельным цепям перемещаться относительно друг друга и менять форму. Повторное тепловое воздействие вновь размягчает термопластичные материалы, делая их до некоторой степени аналогами припоя. Трехмерная узловая сетка термореактивных полимеров предотвращает движение цепей. Термореактивные клеи поставляются однокомпонентными и несмешанными двухкомпонентными, которые отличаются очень высокой стабильностью. Однако перед их использованием необходимо смешивать компоненты. При этом часто происходит попадание в клей воздуха, представляющее серьезную проблему. Помимо этого пользователь может не иметь подходящего оборудования для проведения качественного смешивания. И пользователи, и производители предпочитают однокомпонентные системы. Главный недостаток однокомпонентных систем в том, что смешанные системы имеют ограниченный срок хранения и подлежат хранению в холодильнике. При этом снижается скорость полимеризации до уровня, при котором хранение может быть продлено до шести месяцев и более. Несмотря на то, что возможно производство систем, стабильных при комнатной температуре, для их отверждения требуется более высокая температура и более продолжительное время. Однако совершенствование катализаторов, сокращение времени отверждения и увеличение срока годности при хранении продолжается. В настоящее время некоторые клеи имеют срок годности до шести дней при комнатной температуре и быстро отверждаются (за 3-6 минут) даже при столь низкой температуре как 130-150°C. 7.2.2.3. Наполнители Серебро – самый распространенный токопроводящий наполнитель, хотя золото, никель, медь и графит тоже используются. Также применяются проводники с металлическим покрытием, главным образом для анизотропных клеев. Серебро уникально среди всех металлов, применение которых экономически целесообразно, благодаря природе образуемых им оксидов, которые обладают свойством электропроводности. Оксиды наиболее распространенных металлов хорошие электрические изоляторы, и порошкообразная медь, например, становится плохим проводником после окисления. Клеи с никелевым и медным наполнителем не отличаются высокой стабильностью. Даже при наличии добавок, препятствующих окислению, материалы на основе меди будут иметь существенное, увеличивающееся удельное сопротивление, особенно при высокой влажности окружающей среды. Медь, покрытая серебром, нашла коммерческое применение в токопроводящих красках, и этот тип наполнителя должен также хорошо сработать в клеях. Хотя композиционные материалы, содержащие частицы из чистого серебра, часто показывают более высокую проводимость при тепловом старении, когда подвергаются воздействию температуры и влажности, и при термоциклировании, это не всегда имеет место для металлических частиц с серебряным покрытием. По-видимому, тепловое и механическое воздействие приводит к образованию более тесного контакта, но серебряное покрытие медных частиц может иметь нарушения целостности, которые приведут к окислению меди. Наполнители для анизотропных токопроводящих клеев часто значительно отличаются от тех, которые используются для изотропных клеев. Хотя применяются как жесткие, так и мягкие проводящие частицы, в большинстве систем используются упругие частицы, которые деформируются и действуют как маленькие “пружинки”. Наиболее распространенный тип – частицы с пластиковым ядром, покрытым хорошим проводником, таким как золото или серебро. Наиболее популярны полимерные шарики, покрытые никелем, а затем чистым золотом. 148 7.2.3. Основные типы токопроводящих клеев 7.2.3.1. Собственно-проводящие полимеры Хотя полимеры – естественные электрические изоляторы, особые молекулярные структуры могут влиять на проводимость. Электроноплотные кратные двойные и тройные химические связи, как правило, используются в структуре собственно-проводящих полимеров. Однако данная структура с кратными связями приводит к образованию неупругих нерастворимых полимеров, которые сложны в использовании. Кратные связи – сочлененные кольцевые структуры, имеющиеся во всех распространенных собственнопроводящих полимеров – имеют тенденцию к окислению. Нестабильность в воздушной среде, хрупкость и сложность нанесения сужают сегодняшнюю область применения собственно-проводящих полимеров до преимущественно лабораторного использования, но есть надежда, что новые проводящие структуры когда-нибудь позволят создать материалы, пригодные для промышленного применения. Термопластичный полимер с высокой проводимостью может стать предпочтительным связующим материалом в будущем. Но в настоящее время приемлемы только клеи с проводящим наполнителем. 7.2.3.2. Изотропные токопроводящие клеи Изотропные клеи существовали долгие годы в форме паст, наносимых методами трафаретной печати, дозирования, переноса штырем и другими менее распространенными способами. Полимерные связующие вещества включают в себя природные смолы, сложные полиэфиры, уретаны, полиамиды, винилы, фенольные полимеры, акриловые смолы, эпоксидные смолы и многие другие полимеры с приемлемыми свойствами. Эпоксидные смолы отчетливо доминируют и, вероятно, сохранят свое положение благодаря сочетанию хороших характеристик, широкой доступности, умеренной цены и относительной безопасности при использовании. Изотропные клеи должны наноситься только туда, где это необходимо, так как они проводят во всех направлениях как припои. Необходимость выборочного нанесения изотропных клеев делает их реологию очень важной. Большинство материалов – тиксотропные пасты с вязкостью, лежащей в пределах от 100000 до 500000 сП и выше. Тиксотропная природа большинства таких клеев – обратимое снижение вязкости при приложении усилия сдвига – позволяет наносить эти вязкие пасты через трафарет без растекания и осадки. Тиксотропный индекс, отношение вязкости при малом и большом коэффициенте сдвига, – распространенная мера тиксотропности. Все общие методы, используемые для паяльной пасты, хороши и даже дают лучшие результаты для изотропных клеев. Класс изотропных полимеров должен рассматриваться в качестве полимерной альтернативы паяльной пасты. 7.2.3.3. Анизотропные токопроводящие клеи Токопроводящие клеи с шаблонным расположением проводников. Ограниченное число производителей начинает поставлять токопроводящие клеи с шаблонным расположением проводников. Проводники располагаются в соответствии с повторяющимся шаблоном, например, с расстоянием между центрами проводников 1,5 мм. Распространение множества типов корпусов для поверхностного монтажа сделало непрактичным производство шаблонов под все эти корпуса. Появление корпусов с матричным расположением выводов, таких как BGA, теперь делает возможным производить ограниченное количество стандартных шаблонов, которые соответствуют практически всем распространенным BGA. Сегодня существует только несколько распространенных шагов выводов: 0,5 (μBGA), 1,0, 1,5 и 1,75 мм. Пленки анизотропных токопроводящих клеев с шаблонным расположением проводников с вышеуказанным шагом могут быть вырублены под размеры любого корпуса. 149 В такой форме выпускаются термореактивные, термопластичные и смешанные системы. Некоторые компании предлагают заказные шаблоны, которые соответствуют размерам кристалла и корпуса. Хотя еще слишком рано утверждать, что анизотропные токопроводящие клеи с шаблонным расположением проводников обеспечат превосходные рабочие характеристики, существует несколько потенциальных преимуществ по сравнению с материалами со случайным расположением проводников. В последних изолированные проводящие частицы располагаются между токоведущими дорожками, что может привести к ухудшению сигналов. От материалов с шаблонным расположением проводников следует ожидать меньшее сопротивление соединения, так как между соединяемыми поверхностями будет больше проводящих частиц. Среди недостатков – необходимость совмещения пленки с компонентом, что приводит к дополнительной операции. Токопроводящие клеи со случайным расположением проводников. Большинство анизотропных проводящих клеев получается случайным рассеиванием проводящих частиц в полимерном клее. Простота производственного процесса, по существу заключающегося лишь в смешивании проводящих частиц с полимерным связующим веществом, объясняет широкую доступность материала. Несмотря на то, что используется большое количество полимерных систем, применяется сравнительно мало типов проводящих наполнителей. В большинстве материалов используются частицы малых размеров (0,00048-0,0032 мм) из чистого металла или полимерные шарики с металлическим покрытием. Большинство поставщиков предлагают клеи в виде пленки, тогда как только некоторые поставляют пасту. Рис. 7.3. Анизотропный токопроводящий клей в форме пленки, отслоенной от ленты-носителя. Ширина пленки примерно 2 мм 7.3. Соединение термокомпрессией с помощью припоя Пайка импульсным нагревом отличается от традиционного способа пайки тем, что оплавление припоя производится при помощи нагревательного элемента, называемого термодом, который нагревается и охлаждается при создании каждого соединения. Давление прилагается во время всего цикла, включая нагрев, оплавление и охлаждение. Эта технология наиболее широко используется для подсоединения гибких шлейфов к ПП (см. Рис. 7.4). 150 Рис. 7.4. Пример подсоединения гибкого шлейфа к ПП методом термокомпрессии 7.3.1. Область применения По причине того, что давление прикладывается во время всего цикла, данная операция особенно подходит для монтажа компонентов, которые могут отсоединиться на стадии охлаждения при пайке другими методами. Типичные примеры области применения: гибкие шлейфы, проволочные проводники малых размеров, очень легкие или маленькие компоненты. Благодаря тому, что давление прикладывается в течение всего цикла, включая охлаждение, обеспечивается высокая точность позиционирования. Для компонентов, требующих сохранения местоположения после пайки с очень высокой точностью, соединение термокомпрессией с помощью припоя является идеальным методом. В отличие от традиционной пайки при пайке импульсным нагревом происходит оплавление припоя при помощи термода, который нагревается и охлаждается для каждого соединения. Этот выборочный нагрев только малых участков компонентов делает данный метод очень хорошо подходящим для пайки термочувствительных компонентов. Типичные примеры применения: ПЗС-матрицы камер, соединители. Рис. 7.5. Термод При соединении термокомпрессией с помощью припоя возможно одновременное формирование всех соединений. До 200 выводов или проволочных проводников могут быть соединены за один рабочий цикл (обычно около 15 с). Одновременное формирование соединений также предотвращает отсоединение одного проволочного проводника при пайке соседнего. Типичный пример применения: многожильные коаксиальные кабели с малыми размерами. Выходная мощность стержня накала хорошего качества очень высока. Стержень накала размером 10 мм, может вырабатывать до 4000 Вт против максимум 50 Вт традиционного паяльника и 30 Вт при пайке диодным лазером. Это дает возможность использования малого времени цикла и достижения хороших результатов при пайке компонентов, требующих больших затрат энергии, таких, как керамические. Соединение термокомпрессией с помощью припоя является процессом, который характеризуется высокой воспроизводимостью, может быть измерен количественно и 151 проконтролирован в соответствии с требованиями таких стандартов качества, как ISO. Процесс безопасен для оператора, независим от оператора и прост в автоматизации. Пайка оплавлением импульсным нагревом стержня накала (термода) – способ селективной пайки, при котором две предварительно офлюсованные, покрытые припоем детали нагреваются до температуры, достаточной для расплавления припоя, течения и затвердевания, формируя прочное электромеханическое соединение между деталями и припоем. При подготовке к соединению термокомпрессией с помощью припоя должны быть предприняты следующие шаги: 1. На контактные площадки ПП методом трафаретной печати наносится паяльная паста и оплавляется. 2. ПП фиксируется, и на контактные площадки наносится флюс; 3. Гибкий шлейф располагается в фиксаторе, обеспечивающем совмещение обеих контактных поверхностей; 4. На шлейф помещается термод, прижимается и нагревается. Операция соединения термокомпрессией с помощью припоя состоит из следующих стадий: предварительный нагрев, оплавление и охлаждение (см. Рис. 7.6), которые описаны ниже. Давление Температура Контакт Нагрев Оплавление Охлаждение Разъединение Время Рис. 7.6. Температурный профиль 7.3.1.1. Контакт Стержень накала (термод) монтируется на соединительную головку посредством быстроразъемного соединения. Соединительная головка имеет точные и прочные линейные направляющие для стержня накала. Движение осуществляется при помощи пневмоцилиндров или электромотора. Внутренняя пружинная система создает точное усилие. Большинство паяных соединений, получаемых таким способом, требуют прижимного усилия менее 100 Н. Усилие должно быть откалибровано и установлено на соответствующий уровень для достижения правильного переноса тепловой энергии к паяному соединению. Соединительная головка должна быть точно отрегулирована так, чтобы обеспечить параллельность термода соединяемым поверхностям. Эти головки обладают модульной конструкцией и, следовательно, позволяют осуществлять различную компоновку. После того, как подан стартовый сигнал, термод осторожно опускается до касания изделия. Момент касания определяется автоматически. Усилие постепенно увеличивается до достижения заданного значения. Когда достигается заданное значение, подается сигнал в блок питания, который начинает нагрев стержня накала. 152 Рис. 7.7. Соединительные головки 7.3.1.2. Предварительный нагрев К этому времени стержень накала удерживает изделие с заданным усилием. Стержень накала находится при комнатной температуре. Блок управления пайкой, называемый также “блоком питания”, получает стартовый сигнал к пайке. Блок управления пайкой подает ток через стержень накала. Стержень накала сконструирован таким образом, что участок с максимальным электрическим сопротивлением находится внизу в месте соприкосновения с изделием. Термопара с малыми размерами приварена с передней стороны стержня накала. Эта термопара передает действительную температуру стержня накала в блок управления пайкой. Тем самым формируется система управления температурой с обратной связью. Типичное время нагрева большинства стержней накала составляет 1,5-2 с, что соответствует скорости нагрева около 200°C/с. Новейшее поколение блоков управления пайкой регулирует температуру во время всей стадии нагрева. Когда температура оплавления почти достигнута, блоку управления пайкой необходимо снизить скорость нагрева, чтобы предотвратить перегрев. Хорошая комбинация блока управления пайкой и стержня накала компенсирует все различия тепловой нагрузки, которые могут быть в нормальных условиях производства. 7.3.1.3. Оплавление На стадии оплавления происходит активация флюса, флюс очищает поверхности, и припой нагревается до тех пор, пока не начинает плавиться на всех контактных площадках. Как правило, это занимает от 3 до 8 сек. при температуре стержня накала около 300°C (стержень накала касается выводов), 400°C (стержень накала касается каптона – ленты на основе полиамидной пленки) или 500°C (при пайке керамики). Хотя обычный припой расплавляется при температуре 180°C, оптимальная температура пайки выше 220°C, что необходимо для достижения хорошей текучести и смачивания, но ниже 280°C, чтобы предотвратить выгорание припоя. Температура стержня накала должна быть выше по причине потерь при передаче тепла. В идеале, время должно программироваться в блоке управления пайкой с шагом 0,1 сек., а температура – с шагом 1°C. Используйте минимально возможное время и температуру для создания требуемых соединений для минимизации времени, в течение которого компоненты подвергаются тепловому воздействию, и снижения вероятности повреждения. 7.3.1.4. Охлаждение Когда припой образует соединения на всех контактных площадках, подвод энергии к стержню накала может быть прекращен. Стержень накала начнет остывать. Процесс остывания может быть сокращен путем использования принудительного воздушного охлаждения. Блок управления пайкой может переключить реле управления потоком воздуха в конце стадии оплавления и быстро остудить соединение и стержень накала. Для 153 оптимального управления процессом охлаждение осуществляется до определенной температуры. Эта температура устанавливается ниже температуры солидуса припоя. Следовательно, как только припой затвердевает, процесс завершен и соединение сформировано. Так как большинство соединений имеют относительно большой сток тепла, температура припоя ниже, чем измеренная температура стержня накала, даже при использовании принудительного воздушного охлаждения. Поэтому температура разъединения в большинстве случаев может быть установлена на 180°C, при этом вероятность того, что разъединение произойдет перед отвердеванием, сведена к нулю. 7.3.2. Конструкция соединения 7.3.2.1. Типы конструкции шлейфов Тремя распространенными типами конструкции гибких шлейфов (см. Рис. 7.8), подсоединяемых методом термокомпрессии, являются следующие: • шлейфы с открытыми выводами; • шлейфы с односторонне-открытыми выводами; • шлейфы с окнами. С С одностороннеоткрытыми открытыми выводами выводами С окнами Рис. 7.8. Типы конструкции шлейфов Гибкие шлейфы с открытыми выводами. В области выводов с таких шлейфов удален полиимид (каптон), оставляя проводники свободными от изоляции. Стержень накала непосредственно контактирует с проводниками и передает им тепло. Если контактные площадки ПП и основание стержня накала имеют надлежащие размеры, то данная конструкция будет наиболее устойчивой к избыточному количеству припоя на контактных площадках, когда припой может затекать на открытые места. В процессе также будет происходить смачивание припоем верхней поверхности проводников. При обращении со шлейфами должны быть предприняты меры предосторожности, так как проводники могут быть легко согнуты или повреждены. Вследствие прямого контакта стержня накала с выводами можно использовать относительно низкую температуру нагрева стержня накала и малую длительность процесса. Стержень накала будет загрязняться остатками флюса и потребует очистки. Модуль подачи каптона решает данную проблему. Гибкие шлейфы с односторонне-открытыми выводами. В данной конструкции полиимид удаляется только с одной стороны. Тепло проводится от стержня накала сквозь цельный полиимидный слой на находящиеся под ним проводники. Толщина полиимида в области соединения не должна превышать 50 мкм для обеспечения интенсивной теплопередачи. Нагревание полиимида до температуры свыше 400-425°C может привести к обгоранию полиимида и загрязнению стержня накала. Эта конструкция менее устойчива к избытку припоя на контактных площадках, потому что пространство для растекания избытков припоя мало. Гибкие шлейфы с односторонне-открытыми выводами лучше всего подходят в случае малого шага выводов. Возможно соединение термокомпрессией шлейфов с таким малым шагом выводов (расположенных в один или два ряда), как 200 мкм. 154 Гибкие шлейфы с окнами. В данной конструкции полиимидный материал удален с обеих сторон области соединения, но поддержка выводов обеспечивается остающимся полиимидом по бокам и также вдоль концевых частей выводов. Эта конструкция придает некоторую прочность сборке и снижает требования к аккуратности обращения. Так как проводники открыты, обеспечивается хорошая теплопередача и дополнительное пространство для растекания избытка припоя. Размеры стержня накала критичны, потому что он должен проходить в “окно” и обеспечивать возможность растекания расплавленного припоя. 7.3.2.2. Размеры проводников гибкого шлейфа и ПП В идеале проводники гибких шлейфов должны быть уже, чем контактные площадки ПП. По мере того, как припой расплавляется, и соединяемые поверхности сжимаются, припой прижимается к поверхностям. Эта конструкция также позволит припою затечь на любую сторону проводника гибкого шлейфа и является менее чувствительной к количеству припоя на ПП, что позволяет избежать возникновения перемычек припоя. Увеличенная ширина контактных площадок ПП обеспечивает объем для растекания припоя и упрощает совмещение Гибкий шлейф Проводник шлейфа ПП Рис. 7.9. Соотношение размеров проводников шлейфа и контактных площадок ПП Меньшая ширина проводника гибкого шлейфа будет способствовать совмещению соединяемых изделий. В большинстве случаев ширина контактных площадок ПП должна составлять 55% от шага выводов. Такая конструкция снижает риск короткого замыкания по причине неправильного совмещения. Оптимальная ширина проводника гибкого шлейфа около 45%. 7.3.2.3. Количество припоя Повторяемость нанесения припоя критична для достижения хорошей управляемости процессом. Во многих случаях для определения идеального количества припоя может потребоваться эксперимент. Обычная операция нанесения пасты через трафарет под ПМИ может использоваться и в данном случае. Хорошей отправной точкой является применение трафарета толщиной 125 мкм с размерами отверстий в 40% контактной площадки (см. Рис. 7.10, а, б). а) б) в) г) Рис. 7.10. Отверстия в трафарете (а, б); форма припоя (в – до оплавления, г – после) Количество припоя, которое необходимо нанести на контактные площадки ПП, зависит от нескольких факторов. Размеры контактной площадки и шаг определяют максимальное и минимальное количество припоя, которое может быть нанесено методом 155 трафаретной печати. Малые контактные площадки и шаг выводов требуют меньше припоя, предотвращая возникновение перемычек припоя. Средняя высота припоя после оплавления должна быть от 10 мкм для минимального шага до 50 мкм для максимального шага. Конструкция шлейфа также влияет на необходимый объем припоя. Шлейфы с окнами и с открытыми выводами позволяют использовать несколько большее количество припоя по сравнению с односторонне-открытыми шлейфами. 7.3.2.4. Сток теплоты Пайка оплавлением стержнем накала – метод селективной пайки. Это означает, что будет нагрета только часть ПП, а не вся плата (что имеет место при пайке в печах оплавления). Это означает, что распространение тепла от области соединения до большой и относительно холодной ПП крайне важно. Перепад стока теплоты от одного вывода к другому – наиболее распространенная ошибка конструирования. Небольшие различия произведут минимальный эффект, но любое большое изменение тепловой массы или теплопроводности вдоль области соединения приведет к непостоянству температуры выводов (припоя) и качества паяных соединений. Тепло от стержня накала распространится на 3-5 мм во всех направлениях по поверхности ПП и сквозь ПП. Различия стока тепла в пределах этих 3-5 мм важны, дальше – нет. Тепло может быть легко отведено от области соединения к массивным контактным площадкам, если они расположены слишком близко к области соединения (см. Рис. 7.11, “А”). Токоведущие дорожки увеличенной ширины и металлизированные сквозные отверстия отбирают большое количество тепла от области соединения (см. “B”). Токоведущие дорожки с уменьшенной шириной играют роль теплового порога и предотвращают сток тепла с контактной площадки (см. “C”). Тонкие токоведущие дорожки одинакового размера выполняют функцию теплового порога и обеспечивают равномерное нагревание от края до края области соединения (см. “E”). Дорожки, отходящие от контактных площадок, должны быть одинаковой, минимально возможной ширины. Для многослойных ПП следует ограничивать ширину дорожек под областью соединения до минимального значения и равномерно распределять их под контактными площадками ПП. Неправильная Правильная конструкция конструкция B C E A D Рис. 7.11. Правильная и неправильная конструкция токоведущих дорожек 7.4. Дефекты Дефект Непропай • • • • • Перемычки припоя • • Причина Недостаточное количество подводимого к выводу тепла Слишком большой сток тепла Недостаточное давление на вывод Недостаточное количество припоя на выводе Недостаточное количество флюса на выводе Слишком высокое давление на вывод Слишком большое количество флюса 156 Шарики припоя Выгорание • • • • • • Неудовлетворительная текучесть припоя Слишком большое количество флюса Слишком большая скорость предварительного нагрева Слишком большое давление на вывод Недостаточное давление на вывод Слишком высокая температура Табл. 7.1. Дефекты соединения термокомпрессией с помощью припоя и причины их возникновения 7.5. Литература 1. Anisotropic conductive adhesive bonding 2. Chapter C: Conductive Polymers. Level 1: Introduction 3. Pulsed-heat hot-bar reflow soldering. A high-quality selective soldering technique 157 8. Отмывка 8.1. Причины, приводящие к необходимости отмывки 8.1.1. Высокая температура Чистая специально обработанная канифоль и искусственные смолы примерно до температуры 100°С являются хорошими изоляторами. Если происходит повышение температуры свыше 100°С, канифоль сначала размягчается, а затем плавится и диссоциирует с образованием карбоксильных ионов. В результате возникающей ионизации изменяются электрические свойства, канифоль становится проводником. Таким образом, возникает опасность возникновения повышенных токов утечки и коротких замыканий. 8.1.2. Повышенная влажность Понижение поверхностного сопротивления особенно проблематично в современных условиях развития электроники. Малые токи утечки (10-12 А) иногда оказывают существенное влияние на нарушение работы элементов логики. Токи утечки могут возникать за счет присутствия ионных компонентов. Однако даже канифольные остатки флюса могут стать проводником при наличии тонкого слоя влаги. Влага в сочетании с диоксидом углерода, адсорбированным из воздуха, формируют на поверхности канифоли карбоновую кислоту, которая сильно диссоциирует. Наличие влаги может способствовать также и росту дендритов. Дендриты – металлические кристаллы, растущие между проводниками и контактами по электролитическому механизму. Скорость роста дендритов до 0,1 мм/мин. Рис. 8.1. Дендрит, вызывающий короткое замыкание 8.1.3. Влагозащитные покрытия Для предохранения от воздействия влаги и агрессивных сред печатные узлы часто покрываются влагозащитными покрытиями. При этом особое внимание следует уделить совместимости влагозащитных материалов с остатками флюсов. Если остатки флюса несовместимы с влагозащитным покрытием, возможно ухудшение адгезии, отшелушивание и отслаивание влагозащитных покрытий. 8.1.4. Внешний вид изделия Как правило, флюсы, не требующие отмывки, оставляют малозаметные остатки, незначительно ухудшающие внешний вид печатного узла, тем не менее, в ряде случаев остатки флюсов приходится удалять по требованию заказчиков в косметических целях. 8.1.5. Внутрисхемный контроль Неудаленные остатки флюса могут покрывать тестовые площадки. Так как канифоль при комнатной температуре является хорошим изолятором, тестовые точки 158 могут иметь очень высокое сопротивление контактов, препятствуя проведению внутрисхемного контроля. 8.1.6. Ручная пайка Отечественные производители достаточно часто применяют жидкие "безотмывочные" флюсы, для ручной пайки полагая, что их остатки не требуют удаления. Однако большинство жидких флюсов, не требующих отмывки, специально разработаны для машинной пайки волной припоя. Только этот способ пайки обеспечивает полное выгорание и разложение активаторов флюсов, не требуя обязательного удаления остатков после пайки. Необходимость удаления остатков жидких флюсов при ручной пайке вызвана частичным выгоранием активаторов. Активаторы, входящие в состав флюса, содержат ионные соединения (соли и кислоты), которые в свою очередь могут вступать в реакцию с влагой, влияя на уменьшение поверхностного сопротивления. Несмотря на то, что остатки флюсов очень редко приводят к отказам в процессе работы, последствия коррозии могут быть очень серьезными. Наиболее распространенный механизм коррозии - электролитический. Механизм образования электролитической коррозии приведен на Рис. 8.2 и Рис. 8.3. В данном случае вовсе необязательно приложение внешнего напряжения, при контакте двух разнородных металлов с разными потенциалами, например, медный проводник (+0,34В), покрытый олово-свинцовым покрытием (-0,14В). Так при наличии влаги и небольшого количества ионных компонентов возникает напряжение короткого замыкания и начинает протекать ток (см. Рис. 8.3). Рис. 8.2. Электролитическая коррозия между смежными проводниками при наличии электролитического поля и водной пленки Рис. 8.3. Электролитическая коррозия разнородных материалов проводников с разными потенциалами 8.2. Основные типы загрязнений Не удаленные загрязнения на поверхности ПУ могут оказывать существенное влияние на различные параметры. Ниже в Табл. 8.1 приведен перечень основных типов загрязнений ПУ после сборки и отмывки. Водорастворимые соединения Полярные Хлорид натрия NaCl = Na+ + ClСоли гальванических и травильных растворов Активаторы флюсов Неполярные Полигликоли Водорастворимые флюсы Защитные масла Паяльные маски 159 Продукты реакции флюсов Компоненты паяльных масок Водонерастрворимые соединения Неполярные Нерастворимые Канифоль, синтетические смолы Гидролизованная или окисленная канифоль Органические компоненты флюсов Продукты реакции флюса Кремнесодержащие материалы Масла и жиры Силиконовые масла, смазки Отпечатки пальцев Стекловолокно Корректировщики реологии Шарики припоя Продукты окисления Табл. 8.1. Основные типы загрязнений 8.3. Описание технологической операции 8.3.1. Процесс отмывки Отмывка проводится в промывочной жидкости. Время процесса и температура промывочной жидкости может варьироваться в зависимости от способа отмывки и применяемого оборудования. Во время процесса отмывки остатки флюсов, соли гальванических и травильных растворов, отпечатки пальцев и другие загрязнения вымываются и растворяются в промывочной жидкости. Для повышения качества отмывки ее можно производить с использованием ультразвука как непосредственно на этапе отмывки, так и на этапе ополаскивания, это способствует не только лучшему удалению остатков флюса, но и удалению механических частиц (шарики припоя). 8.3.2. Процесс ополаскивания Ополаскивание рекомендуется проводить минимум в два этапа: • Предварительное ополаскивание при комнатной температуре (25°С) должно обеспечить удаление остатков промывочной жидкости и загрязнений, вынесенных из ванны отмывки вместе с ПУ. • Финишное ополаскивание рекомендуется проводить в воде с максимальной степенью очистки, чтобы избежать повторного загрязнения ПУ. Рекомендуемая температура финишного ополаскивания 40-50°С позволяет уменьшить поверхностное натяжение воды и повысить растворимость ионных компонентов. Температура ополаскивания выше 50°С не рекомендуется, так как органические остатки хуже растворяются при высоких температурах. 8.3.3. Операция сушки После водных процессов отмывки сушку рекомендуется производить обдувом струей холодного или горячего воздуха. Обдув горячим воздухом при температуре 7090°С позволяет значительно сократить время сушки. Операции сушки следует уделять достаточное внимание, чтобы обеспечить эффективное удаление воды из-под корпусов компонентов и переходных отверстий. Статическая сушка (в термошкафах или печах) может оказаться неэффективной, так как в случае неполного удаления ионных загрязнения на стадии ополаскивания они выпадают в осадок в виде белого налета при испарении воды. В свою очередь обдув струей воздуха под высоким давлением позволяет сдуть остатки влаги вместе с растворенными в ней ионными загрязнениями. Контроль качества сушки можно осуществить очень простым способом: сразу после сушки (струей горячего воздуха) горячий ПУ плотно завернуть в пищевую 160 полиэтиленовую прозрачную пленку и охладить, если на внутренней стороне пленки появится конденсат, значит сушка произведена не полностью. 8.4. Промывочные жидкости 8.4.1. Традиционные промывочные жидкости Традиционно на многих отечественных предприятиях наиболее распространенной жидкостью для отмывки печатных узлов и трафаретов является спирто-бензиновая смесь (ОСТ 4Г 0.029.233-84). Главное достоинство спирто-бензиновой смеси - низкая цена, при этом имеется большое количество недостатков: • Очень низкая точка вспышки паров (бензин -17°С, спирт этиловый -23°С). Соответственно необходимо использовать пожаробезопасное оборудование, которое практически не производится в настоящее время. Высокая летучесть и токсичность паров смеси (4-й класс опасности) требует дополнительных мер защиты обслуживающего персонала. • Низкая эффективность смеси - плохо удаляются остатки флюсов с низким содержанием твердых веществ и на основе синтетических смол, а именно такие флюсы лежат в основе новейших разработок материалов для пайки; не удаляются ионные водорастворимые компоненты (остатки активаторов, минеральные соли, остатки травильных растворов и электролитов). • Вечная проблема - белый налет. Причинами возникновения белого налета могут стать разные факторы, заслуживающие отдельного рассмотрения, но основными являются: неполное растворение остатков флюса и выпадение осадка растворенных компонентов при испарении спирта и бензина. 8.4.2. Современные промывочные жидкости В настоящее время на Западе наибольшее распространение получили промывочные жидкости на основе модифицированных спиртовых соединений (с высокой точкой вспышки), на водной основе, на нефтяной основе (PROZONE) и щелочные концентраты (ПАВ). Требования к материалам и процессам отмывки приведены в международных стандартах IPC-SA-61 и IPC-CH-65. 8.4.2.1. Промывочные жидкости на основе ПАВ Традиционные промывочные жидкости на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) обычно состоят из щелочных аминов с уровнем рН в диапазоне 11-12. Молекула ПАВ состоит из двух частей – гидрофильной и гидрофобной. Принцип работы ПАВ основан на том, что молекулы ПАВ жестко соединяются гидрофобными концами с частицами загрязнений, удаляемых с поверхности печатных узлов. Однако, при этом молекулы ПАВ сами могут оставаться на поверхности печатных плат (см. Рис. 8.4), оказывая влияние на последующие операции, например, ухудшая адгезию влагозащитных покрытий. 161 Рис. 8.4. Принцип действия ПАВ Жесткая связь активных компонентов ПАВ с удаленными частицами загрязнений приводит к постоянному истощению промывочной жидкости, требуя частой смены моющего раствора (см. Рис. 8.5) и дорогостоящей утилизации отходов. Рис. 8.5. Зависимость насыщения раствора промывочной жидкости загрязнениями (С) от времени (Т), где СА - предельно допустимое насыщение раствора удаленными загрязнениями, t1, t2, t3 - период смены раствора в ванне. Следует также отметить, что ПАВ обладают существенно меньшей активностью и возможностью удаления сложных загрязнений, например, таких как эпоксидные клеи. 8.4.2.2. Промывочные жидкости фирмы Zestron Немецкая компания Zestron производит промывочные жидкости более 25 лет. Промывочные жидкости разрабатываются совместно с ведущими производителями технологического оборудования, в том числе фирмой DEK (Великобритания), и рекомендуются для удаления остатков флюсов (RM92, RM89, CR32) производства фирмы Multicore Solders. Компания Zestron производит широкий спектр промывочных жидкостей для отмывки печатных узлов от остатков флюсов, очистки трафаретов от паяльной пасты и клея, очистки оборудования для пайки., в том числе и по технологии MPC (VIGON US, VIGON A 200, VIGON SC, VIGON SC 200 и VIGON SC 202) Промывочные жидкости могут применяться на различном оборудовании, в том числе с применением ультразвука, струйной отмывки, струйного распыления в объеме и для ручной отмывки. Основные типы промывочных жидкостей приведены в Табл. 8.2 и Табл. 8.3. Удаляемые остатки Описание Промывочная жидкость на водной основе, концентрат. Метод отмывки: ультразвуковая и струйная в объеме. Канифольные флюсы Водорастворимые флюсы Флюсы с низким содержанием твердых веществ VIGON US 162 Флюсы на синтетической основе Промывочная жидкость на водной основе, концентрат. Метод отмывки: струйная VIGON A 200 Промывочная жидкость на спиртовой основе. Метод отмывки: ультразвуковая и струйная в объеме ZESTRON FA Промывочная жидкость на спиртовой основе. Отмывка производится в паровой фазе. ZESTRON VD Промывочная жидкость на спиртовой основе. Рекомендуется для ручной отмывки. VIGON EFM Табл. 8.2. Отмывка печатных плат Удаляемые остатки Описание Промывочная жидкость на водной основе. Применяется в оборудовании с ультразвуковой и струйной отмывкой. Остатки паяльной пасты Промывочная жидкость для ручной очистки трафаретов и обезжиривания печатных плат перед сборкой. Остатки флюсов * VIGON SC VIGON SC 200 VIGON SC 202 Промывочная жидкость на спиртовой основе. Применяется в оборудовании струйной отмывки. Очистка трафаретов в автоматах трафаретной печати. Остатки адгезивов (клеев) ZESTRON SD 301 ZESTRON SW ZESTRON SD 300 ZESTRON SD 301 Табл. 8.3. Отмывка трафаретов * - Некоторые типы промывочных жидкостей для очистки трафаретов могут использоваться для отмывки остатков флюсов после пайки. 8.5. Технология МРС Компания Zestron разработала и запатентовала уникальную технологию отмывки Micro Phase Cleaning (MPC), которая не имеет аналогов в мире. Основными достоинствами промывочных жидкостей на основе МРС технологии являются: высокая активность в сочетании с отсутствием остатков промывочной жидкости на печатных платах и трафаретах после отмывки и чрезвычайно длительный срок жизни раствора в ванне. 8.5.1. Особенности МРС® технологии Промывочные жидкости, основанные на МРС технологии, сочетают преимущества моющих средств на водной и спиртовой основе, исключая их недостатки, в тоже время имеют существенно более высокий срок жизни в ванне. Активные компоненты, присутствующие в растворе промывочной жидкости, имеют форму микроскопических капелек - «микрофаз» (см. Рис. 8.6). 163 Рис. 8.6. Принцип действия "микрофаз" «Микрофазы» эффективно удаляют смазки, масла, жиры, остатки флюсов и даже остатки неполимеризованных эпоксидных клеев с поверхности печатных узлов (1). Удаленные частицы загрязнений освобождаются «микрофазами» и переходят в водный раствор (2), таким образом, происходит самоочищение (регенерация) «микрофаз». Частицы загрязнений не растворяются полностью в промывочной жидкости, поэтому они могут быть легко удалены из раствора путем фильтрации или снятием с поверхности. В отличие от ПАВ у промывочных жидкостей, основанных на МРС® технологии, не происходит истощения активных компонентов за счет процесса саморегенерации (см. Рис. 8.7). Рис. 8.7. Зависимость насыщения раствора промывочной жидкости загрязнениями (С) от времени (Т), где СА - предельно допустимое насыщение раствора удаленными загрязнениями, ΔС - окно варьирования процесса. Особые свойства и уникальное воздействие промывочных жидкостей на основе МРС-технологии по удалению всех типов загрязнений наилучшим образом проявляются при температуре отмывки в пределах от 40 до 60°С. Правильно организованный процесс отмывки и эффективная фильтрация позволяют существенно увеличить срок жизни моющего раствора в ванне (до 1 года), и, следовательно, существенно сократить расходы на технологические материалы и утилизацию отходов. Отсутствие остатков промывочной жидкости на поверхности ПУ после сушки позволяет добиться высокого поверхностного сопротивления изоляции, хорошей пригодности к применению влагозащиты и хорошей пригодности к приклеиванию. 8.6. Чистота воды, используемой при операциях отмывки и ополаскивания Промывка ПУ с применением водных процессов и процессов вода + растворитель находят самое широкое применение в производстве электроники. Нередко приходится сталкиваться с ситуацией, когда после тщательной отмывки поверхность ПУ остается покрытой белым налетом (см. Рис. 8.8). Большинство стандартов рассматривают белый налет как дефект, так как он приводит к плохой адгезии влагозащитных покрытий, приводит к уменьшению сопротивления изоляционного покрытия во влажной среде, способствует росту дендритов. 164 Рис. 8.8. Пример появления белого налета после отмывки ПУ В большинстве случаев данная проблема вызвана низким качеством воды, используемой в процессе отмывки и ополаскивания. Обычная водопроводная вода из-под крана содержит целый «букет» растворенных примесей (см. Табл. 8.4) которые после сушки проявляются на поверхности ПУ в виде характерного белого налета. Примесь Соли кальция Соли натрия Хлориды Соли металлов Концентрация мг/л до 100 до 200 до 350 до 14,2 Табл. 8.4. Примеси, растворенные в воде 8.6.1. Качество воды Какова должна быть чистота воды, для достижения оптимального результата отмывки? Качество воды определяется сопротивлением, измеряемом в МОм∙см или в виде обратной величины проводимости, измеряемой в мкСм/см. Наиболее чистая вода имеет сопротивление 18,2 МОм∙см, однако, такая вода считается очень дорогой в условиях серийного производства. Вода с сопротивлением 1 МОм∙см рекомендуется для отмывки большинства изделий электроники. Сопротивление от 100 кОм∙см до 1 МОм∙см считается допустимым для многих применений, тем не менее, в случае применения влагозащитных покрытий минимальная чистота воды должна быть обеспечена в пределах 1МОм∙см. Вода с сопротивлением от 10 до 100 кОм∙см может привести к появлению проблем, особенно в аппаратуре специального назначения. Водопроводная вода обычно имеет сопротивление в пределах от 1 до 25 кОм∙см. Двухвалентные катионы, такие как кальций и магний, содержащиеся в водопроводной воде могут вступать в реакцию с остатками канифольных флюсов, образуя нерастворимый белый осадок. Они могут также уменьшать эффективность и срок жизни промывочных жидкостей в ванне. Поэтому для промышленных применений рекомендуется применять деионизированную или дистиллированную воду, а также воду, очищенную методом обратного осмоса. 8.6.2. Методы очистки воды Существует множество методов очистки воды от ионных и неионных загрязнений. В промышленности наиболее популярны следующие методы очистки: Механическая фильтрация обеспечивает сопротивление 25-30 кОм/см. Данный метод позволяет произвести очистку воды от механических частиц крупнее 1 мкм. Фильтры с активированным углем обеспечивают дополнительную очистку от хлора и наиболее эффективны в сочетании с установками обратного осмоса или деионизаторами. Метод обратного осмоса обеспечивает очистку от всех механических и многих ионных загрязнений, позволяя получить сопротивление 25-500 кОм/см. 165 Деионизация. Очистка воды производится на ионообменных смолах (катионных и анионных). Катионные смолы удаляют все положительно заряженные ионы (кальция, натрия и т.д.), замещая их ионами водорода (Н+). Анионные смолы задерживают отрицательно заряженные ионы заменяя их гидроксильными ионами (ОН-). Объединяясь ионы Н+ и ОН- образуют воду. Применение смешанных катионных и анионных ионообменников позволяет получить воду с сопротивлением до 18 МОм/см. В ваннах отмывки и ополаскивания часто применяется вода с температурой до 50°С и выше, перед очисткой вода должна быть охлаждена до 30-35°С. 8.7. Технологические параметры 8.7.1. Процессы отмывки 8.7.1.1. Водные процессы отмывки Отмывка проводится в среде деионизованная вода + промывочная жидкость VIGON US или VIGON A 200 (концентрация 15-20%) струйным способом или погружением в раствор. Затем производится ополаскивание водой высокого качества (1–5 МОм/см или 0,2 мкСм/см) и сушка горячим воздухом. Преимущества данного процесса: • Эффективная отмывка любых типов загрязнений • Высокая безопасность процесса • Снижение затрат на промывочную жидкость Но следует помнить, что: • Для увеличения срока жизни моющего раствора в ванне необходима постоянная фильтрация (фильтр 5 мкм или 5÷20 мкм) • Нужно обеспечить высокое качество воды на этапе финишного ополаскивания • Нужно организовать эффективную сушку ПУ для удаления влаги из-под корпусов компонентов и переходных отверстий. 8.7.1.2. Процесс Вода + Растворитель Процесс отмывки производится погружением в растворитель ZESTRON FA (концентрация 100%). Затем следует ополаскивание в деионизованной воде и сушка горячим или сжатым воздухом. Преимущества данного процесса: • Эффективная отмывка любых типов загрязнений • Высокая безопасность процесса • Длительный срок жизни промывочной жидкости в ванне (до 1 года) Но также необходимо помнить ,что: • Для увеличения срока жизни моющего раствора в ванне необходима постоянная фильтрация (фильтр 5 мкм или 5÷20 мкм) • Нужно обеспечить высокое качество воды (1 – 5 МОм/см или 0,2 мкСм/см) на этапе финишного ополаскивания • Нужно организовать эффективную сушку ПУ. 8.7.1.3. Отмывка в растворителях 1). Отмывка проходит в жидкости ZESTRON FA (концентрация 100%) путем погружения, в паровой фазе или ручная, затем происходит ополаскивание в этиловом или изопропиловом спирте. Сушка либо отсутствует, либо производится с помощью сжатого воздуха. Преимущества данного процесса: • Эффективная отмывка любых типов загрязнений 166 • Быстрая сушка • Исключение водных процессов отмывки. Следует помнить, что: • Высокая токсичность и огнеопасность спиртов требует соответствующего исполнения оборудования • Этиловый спирт имеет слабую растворяющую способность минеральных солей (NaCl, KCl) • Изопропиловый спирт можно применять в смеси с водой 50 : 50. 2). Процесс аналогичен первому, но отмывка и ополаскивание происходит в жидкости VIGON EFM (концентрация 100%). Преимущества данного процесса: • Простой процесс • Быстрая сушка • Не требуется специальное оборудование • Исключение водных процессов отмывки Но нужно помнить, что: • VIGON EFM обеспечивает удаление остатков только канифольных флюсов • Для улучшения качества отмывки рекомендуется использовать механическую обработку щетками • Применение VIGON EFM на всех этапах отмывки и ополаскивания приводит к повышенному расходу промывочной жидкости. 8.7.2. Типовые технологические процессы 8.7.2.1. Ручная отмывка • • • • • • Отмывка, этап 1: Нанести промывочную жидкость на поверхность, подлежащую отмывке, с помощью пульверизатора или погрузить ПУ в ванночку Обработать поверхность кистью Выдержать 2 - 5 мин. Отмывка, этап 2: Повторно нанести промывочную жидкость, погрузить во вторую ванночку Обработать поверхность кистью Выдержать 2 – 5 мин. Произвести ополаскивание промывочной жидкостью Сушить на воздухе или струей сжатого воздуха • • • • Преимущества процесса Отсутствие инвестиций в оборудование Низкая стоимость промывочной жидкости Простой технологический процесс Быстрая сушка • • • • • • 167 Недостатки процесса Ограниченная растворяющая способность (только канифольные флюсы) Плохая повторяемость процесса Высокий расход промывочной жидкости (в 3 – 5 раз выше) Плохое удаление загрязнений изпод корпусов компонентов Низкая производительность Затруднен подбор технологического процесса 8.7.2.2. Смешанный вариант отмывки • • • • • • • • • Отмывка в ультразвуковой ванне: Промывочная жидкость ZESTRON FA, VIGON US, VIGON A 200 Температура 40 – 60°С Время: 5 – 10 мин. Оборудование Őkо 1000 или ё ko 2000 Процесс ополаскивания: Среда: деионизованная вода (1 – 5 МОм/см или 0,2 мкСм/см) Цикл 1 и Цикл 2: время 2 – 3 мин, температура 25°С Цикл 3: время 2 – 3 мин, температура 40°С Цикл 4: время 2 мин, температура 50°С Сушка: Температура 70°С Время: требуемое для полной сушки. • • • • • Преимущества процесса Небольшие инвестиции в оборудование Малый расход промывочной жидкости Хорошая повторяемость процесса Эффективное ополаскивание и сушка Простой технологический процесс Недостатки процесса • Низкая производительность • Необходимость дополнительной фильтрации моющего раствора при использовании VIGON US и VIGON A 200 • Ограничена отмывка ПУ с компонентами, чувствительными к ультразвуку 8.7.2.3. Система UNICLEAN • • • • • • • • • • • • • Отмывка: Промывочная жидкость ZESTRON FA Ультразвук: 10 – 30 Вт/л Температура: 25 – 85°С Время: до 15 мин. Ополаскивание, этап1: Водопроводная вода Ультразвук: 10 – 20 Вт/л Температура: 25°С Время: 5 мин. Ополаскивание, этап2: Деионизованная вода Температура: 40°С Время: 5 мин. Сушка: Температура: 70 - 80°С Время: от 10 мин. до требуемого для полной сушки. Отмывка по технологии MPC: Отмывка: • Промывочная жидкость VIGON US или VIGON A 200, концентрация 20% • Ультразвук: 10 – 20 Вт/л • Температура: 25 – 70°С 168 • Время: до 15 мин. Ополаскивание, этап1: • Водопроводная вода • Ультразвук: 10 – 15 Вт/л • Температура: 25°С • Время: 5 мин. Ополаскивание, этап2: • Деионизованная вода • Температура: 40°С • Время: 5 мин. Сушка: • Температура: до 75°С • Время: от 10 мин. до требуемого для полной сушки. § § § § Преимущества процесса Малый расход промывочной жидкости Хорошая повторяемость процесса Эффективное ополаскивание и сушка Высокая производительность § § Недостатки процесса Необходимость дополнительной фильтрации моющего раствора при использовании VIGON US и VIGON A 200 Ограничена отмывка ПУ с компонентами, чувствительными к ультразвуку 8.7.2.4. Система SMT1000 Этап Параметр Отмывка длительность, мин. температура, °C концентрация промывочной жидкости, % длительность одного цикла, с количество циклов мин. удельное сопротивление воды на выходе, кОм∙см длительность, мин. температура, °C Ополаскивание Сушка Значение промывочная жидкость промывочная жидкость Vigon A200 Vigon A300 водосмываеневодосмываводосмываеневодосмывамый флюс мый флюс мый флюс емый флюс 10 15 10 10-15 45-50 50-60 40-45 40-50 15-20 25-30 30 33-36 20 5-7 300 10-20 70-77 8.8. Дефекты отмывки. Причины возникновения белого налета после отмывки 8.8.1. Неполностью растворенные остатки флюса Проявляется: • Зачастую в виде характерного белого налета вокруг выводов компонентов (при пайке оплавлением) 169 • В виде сплошной белой пленки или разводов по всей поверхности печатной платы (при пайке волной припоя) Возможные причины: • Низкая эффективность промывочной жидкости • Низкая температура раствора • Низкая концентрация раствора • Недостаточное время отмывки • Чрезмерное окисление или полимеризация остатков флюсов в результате высокой температуры пайки (>250оС) или длительного времени между процессом пайки и отмывкой Метод обнаружения: • ZESTRON® - тест на остатки активаторов Методы решения: • Понизить температуру пайки • По возможности минимизировать время между процессом пайки и процессом отмывки (предпочтительно не более 2-х - 3-х часов) • Скорректировать режимы отмывки (время, температуру, концентрацию промывочной жидкости) • При использовании пайки волной, произвести повторное флюсование и предварительный нагрев для размягчения остатков флюса непосредственно перед процессом отмывки • Использовать более эффективные промывочные жидкости 8.8.2. Выпадение минеральных солей в осадок • • • • • • • • Проявляется: В виде характерного белого налета по всей поверхности ПУ, в том числе на поверхности компонентов Возможные причины: Выпадение солей в осадок при испарении спирто-бензиновой смеси Низкое качество воды (водопроводная вода) Методы обнаружения и индикации: ZESTRON® тест на остатки активаторов Нанести каплю воды на тонкую стеклянную пластину и произвести испарение термофеном, затем провести визуальный контроль остатков Методы решения: Обеспечить качественную очистку воды Для водных процессов – производить сушку обдувом горячим воздухом Использовать смесь изопропиловый спирт + деионизованная вода (50:50) для финишного ополаскивания 8.8.3. Формирование солей металлов Проявляется: • В виде нерастворимого (в воде и спирте) белого налета на поверхности паяных соединений Возможные причины: • Частичное удаление остатков активных канифольных флюсов (галогены 0,1 – 0,5%) приводит к высвобождению галогенов и формированию галидов на поверхности паяных соединений (PbCl2) • Водосмываемые флюсы также могут формировать соли металлов Методы обнаружения и индикации: 170 • Визуально • Тестовая бумага с хроматом серебра (меняет цвет с коричневого на белый) Методы решения: • Использовать менее активные флюсы • Обеспечить полное удаление остатков флюса с помощью эффективных промывочных жидкостей сразу же после пайки 8.8.4. Отсутствие совместимости материалов паяльной маски с флюсом или моющим раствором • • • • • • Проявляется: В виде неудаляемого в процессе отмывки белого налета на поверхности паяльной маски Возможные причины: При неполной полимеризации паяльной маски частицы оксида алюминия, входящие в состав паяльной маски (для изменения реологических свойств), взаимодействуют с флюсом или моющим раствором Методы обнаружения и индикации: Наклеить кусочки термоскотча на произвольные участки печатной платы, произвести пайку, удалить скотч, произвести отмывку. В местах, защищенных скотчем, эффект наблюдаться не будет. Методы решения: Использовать качественные паяльные маски Обеспечить полное термодубление паяльной маски при изготовлении печатных плат Произвести обдув поверхности ПУ горячим воздухом с помощью термофена при температуре 150оС 8.8.5. Частичное или полное удаление наклеек, штрих-кода Метод решения: • Взаимодействие с производителями наклеек 8.9. Методы определения качества отмывки Контроль чистоты поверхности имеет следующие области применения: a. При производстве печатных плат • Производство внутренних слоев многослойных печатных плат • После нанесения паяльной маски • После горячего лужения b. При сборке печатных узлов: • Входной контроль печатных плат • Оптимизация процесса отмывки • Оптимизация нанесения безотмывочных флюсов • Тестирование чистоты отдельных компонентов 8.9.1. Визуальный контроль Визуальный контроль позволяет обнаружить механические частицы, соли и продукты коррозионных процессов, остатки флюса, шарики припоя и «белый налет». Для визуального контроля качества отмывки рекомендуется использовать визуальные системы с увеличением не менее 30х. Визуальный метод контроля является самым простым, однако позволяет получить только субъективную оценку качества отмывки по наиболее опасным загрязнениям. 171 8.9.2. Контроль ионных загрязнений В процессе производства печатных узлов (ПУ), включающего сборку и транспортировку печатных плат между технологическими операциями, на поверхности печатных узлов появляются различные ионные загрязнения. Эти загрязнения в процессе эксплуатации приводят к отказам, вызванным образованием коррозионных участков, повышенными токами утечки и короткими замыканиями. Для оценки чистоты поверхности печатных узлов применяются тестеры ионного загрязнения. Полученные с помощью таких тестеров данные позволяют оптимизировать технологический процесс. В настоящее время существует два подхода при производстве ПУ: с использованием флюсов требующих и не требующих отмывки. Все флюсы содержат ионные компоненты, присутствие которых на ПУ может приводить к отказам и разрушению ПУ. Возможные последствия ионного загрязнения: • Появление токов утечки между проводниками • Активаторы, входящие в состав флюса, при наличии влаги вызывают уменьшение поверхностного сопротивления изоляции • Коррозионное разрушение • Рост дендритов между проводниками, приводящий к короткому замыканию • Большое количество ионных загрязнений (остатки флюса) приводит к отслаиванию влагозащитных покрытий 8.9.2.1. Принцип оценки ионного загрязнения Для оценки ионного загрязнения применяется следующая технология: ПУ помещается в емкость с раствором изопропилового спирта и деионизованной воды (соотношение 75 / 25%). Рабочая жидкость многократно пропускается через емкость с образцом, вследствие чего происходит растворение ионосодержащих загрязнений и диссоциация их на ионы. В результате этого меняется проводимость рабочей жидкости, которая измеряется и пересчитывается в эквивалентную массу NaCl в миллиграммах на площадь ПУ. Необходимость пересчета в ионы NaCl обусловлена тем, что проводимость для раствора NaCl линейно зависит от количества ионов, что упрощает калибровку оборудования. Существует два подхода к оценке ионного загрязнения: динамический метод и статический метод. 8.9.2.1.1. Динамический метод Измерительная система состоит из одного контура. Ионизованная рабочая жидкость из испытательной области попадает в блок измерения проводимости, далее деионизуется в блоке очистки и попадает опять в испытательную область. Проводимость измеряется в каждом цикле, затем вычисляется суммарное значение проводимости за все циклы. Измерения прекращаются, когда прекращается изменение проводимости рабочей жидкости. Преимущества метода: Использование постоянной деионизации рабочей жидкости в процессе тестирования позволяет: • Проводить высокоточные измерения для плохо растворимых и слабо ионизованных загрязнений • Исключить влияние СО2, содержащегося в воздухе, на результат измерения • Проводить новое измерение сразу после извлечения ПУ 8.9.2.1.2. Статический метод Измерительная система состоит из 2-х независимых замкнутых контуров: испытательного и очищающего. В испытательном контуре рабочая жидкость из 172 испытательной области попадает в блок измерения проводимости и возвращается в испытательную область. В очищающем контуре рабочая жидкость из испытательной области попадает в блок очистки и возвращается в испытательную область. На испытательную область единовременно может быть замкнут только один из контуров. В начале измерений включен очищающий контур, рабочая жидкость при этом деионизуется. Изделие помещается в испытательную область и задействуется испытательный контур, измеряется проводимость рабочей жидкости. Измерения прекращаются, когда проводимость перестает расти. Далее происходит переключение контуров, жидкость после деионизации готова к следующему использованию. Преимущества метода: • Скорость измерения выше, чем при использовании динамического метода • Хорошо подходит для тестирования крупногабаритных изделий 8.9.3. Оценка поверхностного сопротивления изоляции (SIR-тест) Порядок проведения испытаний поверхностного сопротивления изоляции подробно рассмотрен в стандарте IPC-TM-650 (метод 2.5.27). Рекомендуемые параметры процесса испытаний: температура 85°С, относительная влажность 85%, время испытаний 168 часов, измерения проводятся через 24, 94 и 168 часов, тестовое напряжение 100В. Высокая температура повышает подвижность ионных компонентов, а влажность способствует адсорбции влаги на поверхности ПУ. Поверхностное сопротивление изоляции обычно измеряется с применением тестовых рисунков, например IPC-B-25 (см. Рис. 8.9), выполненных на стандартных печатных платах. В соответствии с требованиями стандарта IPC-CH-65 измерения поверхностного сопротивления изоляции могут проводиться с применением тестеров серии Sirometer и ряда других. Рис. 8.9. Пример тестового рисунка 8.9.4. Оценка электромиграции Оценка электромиграции производится с применением аналогичных SIR-тесту оборудования и тестовых плат. Основная разница между данными процессами заключается в прилагаемом напряжении. Обычно при тестировании электромиграции прилагаемое напряжение не превышает 10В. Это связано с тем, что многие современные электронные схемы имеют напряжение питания не более 5В, а высокое тестовое напряжение приводит к пережиганию металлических нитей и дендритов, оказывая влияние на результаты испытаний. 8.10. Литература 1. Оборудование и материалы для поверхностного монтажа. Краткий каталог 2004. ЗАО «Предприятие ОСТЕК» 2. Оборудование и материалы для поверхностного монтажа. Краткий каталог 2003. ЗАО «Предприятие ОСТЕК» 3. Поверхностный монтаж №4 (21), ноябрь 2002 4. Поверхностный монтаж №2 (24), апрель 2003 5. Поверхностный монтаж №3 (25), июль 2002 6. Поверхностный монтаж №4 (26), сентябрь 2003 173 7. Отмывка печатных узлов. Презентация. Семинар 9 декабря 2003 г. ЗАО «Предприятие ОСТЕК» 8. Методы контроля качества отмывки печатных узлов. Презентация. ЗАО «Предприятие ОСТЕК» 9. Белый налет на печатных платах после отмывки. Презентация. ЗАО «Предприятие ОСТЕК» 174 9. Нанесение влагозащитных покрытий 9.1. Причины, приводящие к необходимости нанесения влагозащитных покрытий Надежность и длительность срока службы изделий электронной техники находится в зависимости от условий и режимов эксплуатации, их конструкции и свойств материалов. Нарушение работоспособности может быть вызвано воздействием ряда факторов. В первую очередь это: 1. Влияние агрессивной окружающей среды. 2. Тепловое старение. 9.1.1. Влияние климатических воздействий Климатические факторы, влияющие на процессы деградации радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), достаточно взаимосвязаны между собой и весьма сильно ускоряют протекание разрушающих электрохимических реакций. В нормальных климатических условиях процессы деградации протекают медленнее. Печатный монтаж повышенной надежности должен выдерживать следующие воздействия атмосферной среды: • повышенная влажность в течение длительного времени, • частые перепады температуры, • химическая загрязненность среды (сернистый газ, хлориды, аммиак), • пыль, • солнечная радиация. Влагозащитные покрытия призваны уменьшить влияние этих факторов на деградационные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. 9.1.2. Повышенная влажность Печатный узел, не защищенный влагозащитным покрытием, при длительном хранении во влажной среде будет поврежден и при включении с большой долей вероятности выйдет из строя. Причиной этого будет гигроскопичность подложки печатной платы либо адсорбированный на поверхности платы слой влаги. В условиях нормальной влажности, постоянной температуры и отсутствии пыли основание печатной платы (ПП) обладает высоким сопротивлением изоляции и малыми токами утечки. При повышенной влажности, перепадах температуры, наличии пыли, на поверхности платы адсорбируется слой влаги и загрязнений. Этот слой обладает ионной проводимостью, и уже он, а не диэлектрический слой основания ПП определяет прочность промежутка между проводниками и токи утечки. Ионогенные примеси, не отмывшиеся после пайки, усугубляют положение, увеличивая токи утечки на три-четыре порядка. При включении такого узла возникнут электролитические процессы, приводящие к отказу узла. Очень опасным является образование под действием влаги гальванических пар, облегчающееся наличием в схемах разнородных металлов (проводники, припои, гальванопокрытия и т. д.). Вследствие этого явления возникает электролитическая коррозия, способная приводить к полному разрушению проводников тонких сечений и металлических покрытий. 9.1.3. Осмотические явления Известно, что влагозащитное покрытие не обеспечивает полной изоляции печатного узла. Поэтому повышенная влажность в совокупности с некачественной очисткой печатного узла перед нанесением влагозащитного покрытия может привести к 175 осмотическим процессам. Из-за загрязнений во влажной среде под покрытием образуется концентрированный раствор различных солей, и тем самым создаются условия для осмоса, т. е. начинается интенсивное перемещение влаги под покрытие (Рис. 9.1). Скорость такого перемещения прямо пропорционально разности концентраций раствора под покрытием и раствора в наружной пленке влаги. В результате под лаковым покрытием из-за скопившейся жидкости возникает значительное давление, приводящее отслаиванию и вспучиванию покрытия. Осмотическое накопление влаги под лаковым покрытием при функционировании аппаратуры неизбежно приводит к образованию токопроводящих мостиков, т. е. к отказу ПУ. Рис. 9.1. Отслоение влагозащитной пленки под действием осмотических явлений 9.1.4. Образование дендритов Одновременное присутствие в изоляционном зазоре влаги, растворимых загрязнений и электрического напряжения создает условия для протекания электролиза, являющегося основой электрохимического процесса отказа. В результате электролиза проводник-анод растворяется, отдавая воде положительно заряженные ионы металла, которые, направляясь к проводнику-катоду, восстанавливаются на нем до металлического состояния, образуя в изоляционном зазоре проводящие перемычки дендритоподобной рыхлой структуры. В результате этих процессов за несколько минут в водной среде могут образоваться нитевидные кристаллы толщиной 2 - 20 мкм и длиной до 12 мм. + +n + +n Me + +n Me Me Me Me – Me – – Рис. 9.2 Схема образования дендрита в канале, наполненном ионогенными загрязнениями После образования перемычки кристаллы постепенно утолщаются до 0,1 мм, приобретая отчетливый металлический блеск. Сопротивление таких кристаллов может доходить до 1 Ом. Таким образом, происходит выход из строя изоляции между печатными проводниками. Скорость образования проводящих перемычек определяется материалом проводников, относительной влажностью среды, смачиваемостью, водо- и влагостойкостью изоляции, величиной напряжения. 176 а) б) в) г) Рис. 9.3. Стадии образования токопроводящей перемычки в конденсате воды при постоянном напряжении 4 В: а) через 2 мин после включения напряжения; б) через 2,5 мин; в) через 3 мин; г) через 4 мин. Рис. 9.4. Образование дендрита 9.1.5. Коррозия Для металлических деталей РЭА характерна атмосферная коррозия, протекающая под тонкой пленкой влаги на поверхности изделия в присутствии кислорода воздуха. С увеличением влажности или температуры процесс коррозии ускоряется. Обычно коррозия оказывает самое сильное разрушающее действие при часто повторяющейся конденсации в сочетании с повторным испарением. Наличие посторонних веществ на металлических поверхностях, например остатков флюса, других остатков производственных процессов – грязи, отпечатков пальцев и т. п., может вызвать или ускорить коррозию при наличии влажности. Наиболее опасные условия коррозии создаются в присутствии сернистого газа, концентрация которого значительна в атмосфере промышленных городов и жилых помещений. Сернистый газ, растворяясь в пленке влаги, повышает ее кислотность и электропроводность и тем самым ускоряет коррозию. 9.1.6. Воздействие плесневого грибка Плесневые грибки не имеют хлорофилла и поэтому используют органические вещества, на которых происходит их рост. Плесневые грибки содержат большое количество ферментов, которые катализируют процессы разложения. Помимо питательных веществ для развития грибков нужна влага, так как грибковые нити не имеют защиты от испарения. Влага не обязательно должна быть в виде жидкости. Достаточно, чтобы влажность воздуха была 70 – 100%, во всяком случае, не ниже 65%. При предельной влажности 65–70% могут развиваться только отдельные виды грибков. Температура для роста грибков не играет существенной роли, но свет, особенно ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра, сильно тормозят их развитие. Способствует росту грибков неподвижность воздуха. Мицелий плесневого грибка состоит из воды с высоким содержанием белка и питательных солей. По нему может происходить закорачивание электрической цепи. Кроме того, органические кислоты, входящие в такой электролит, ускоряют коррозию токонесущих участков. 177 Влага, повышенная влажность Образование дендритов Осмотически е явления Снижение сопротивления изоляции Неотмытые загрязнения Плесневые грибки (биокоррозия) Замыкание Термоциклирование (частый перепад температур) Коррозия Механические воздействия Обрыв Рис. 9.5. Влияние климатических факторов на деградационные процессы аппаратуры С учетом функционального назначения аппаратуры (бытовая, промышленная, военного назначения), продолжительности и характера воздействия окружающей среды (влага, агрессивные газы, радиация, тепло) выбирается соответствующий вид влагозащитного покрытия печатных узлов. Влагозащитными покрытиями называют полимерные покрытия печатного узла с целью защиты его от влаги, агрессивных сред, перепадов температуры, механических воздействий. Толщина влагозащитных покрытий составляет 25-75 мкм. 9.2. Характеристики материалов влагозащитных покрытий 9.2.1. Жизнеспособность смеси Жизнеспособность материала влагозащитного покрытия – это период времени после приготовления, в течение которого материал еще может быть эффективно нанесен до начала его затвердевания. Это важный фактор при планировании операции покрытия, т.к. влияет на стоимость и на объемы нанесения. Приемлемой считается жизнеспособность смеси от 30 минут до 3 часов при комнатной температуре. Низкая жизнеспособность неизбежно приведет к излишней потере материала во время нанесения и может приводить к неоднородной толщине покрытия вследствие быстрого загустевания материала. Низкая жизнеспособность – недостаток многих прежних двухкомпонентных составов. Современные однокомпонентные покрытия имеют увеличенную жизнеспособность, иногда равную сроку хранения материала. 178 9.2.2. Срок хранения Срок хранения определяется временем, в течение которого материал может находиться при заданной температуре в оригинальной нераспечатанной упаковке без явного ухудшения своих свойств. 9.2.3. Вязкость В большинстве случаев наиболее технологичны составы с низкой вязкостью (менее 3000 сПз), позволяющей жидкому покрытию легко растекаться вокруг компонентов во время нанесения и заполнять пространства под компонентами. Однако, при покрытии компонентов с острыми углами или выступающими выводами желательна высокая вязкость материала. Вязкость должна быть достаточной, чтобы обеспечить галтель на границе компонента и платы, где не может быть обеспечено полное проникновение покрытия под компонент. Материал покрытия должен иметь оптимальную или близкую к оптимальной вязкость для данной конкретной задачи. Это минимизирует или даже устранит потребность разбавления, а, следовательно, и дополнительные затраты труда. 9.2.4. Содержание твердой составляющей Твердая составляющая представляет собой часть материала покрытия, из которого будет сформирована влагозащитная пленка после отверждения. Покрытия обычно поставляются в виде жидкости, представляющей собой раствор материала покрытия. При этом после нанесения растворитель испаряется. В последнее время наблюдается тенденция к переходу на материалы на водной основе, где в качестве растворителя используется вода. Содержания твердой составляющей может лежать в пределах 15 - 45%. Но существуют материалы, состоящие из чистого покрытия без растворителя. Содержание твердой составляющей влияет на толщину слоя покрытия, наносимого за один проход, и соответственно, на количество материала, требующегося для достижения требуемой толщины покрытия. 9.2.5. Отверждение Процесс отверждения материала влагозащитного покрытия состоит из нескольких этапов. На первом этапе материал покрытия теряет способность к растеканию и не прилипает при прикосновении. Этот этап должен быть минимальным по продолжительности для уменьшения оттока покрытия с острых ребер компонентов и выводов. На втором этапе покрытие можно трогать без повреждения, что облегчает транспортировку и упаковку изделия. На стадии полной полимеризации покрытие достигает оптимальных защитных и рабочих характеристик. В конце этой стадии важно убедиться, что покрытие полностью полимеризовалось. Поэтому до выпуска любого печатного узла проводят климатические, эксплуатационные испытания. Также проводят тест на ускоренное старение. 9.2.6. Температура отверждения Температура отверждения является важным фактором. Чем выше температура, тем быстрее происходит отверждение. 179 Очевидно, что отверждение при комнатной температуре требует меньше затрат, чем при повышенной температуре. Обычно при комнатной температуре влагозащитным покрытиям до полной полимеризации требуется до 24 часов. В печи влагозащитные покрытия могут полимеризоваться за короткий промежуток времени вплоть до 30 секунд. Быстроотверждающиеся покрытия обычно представляют собой двухкомпонентную систему. Для массового производства желательно применение самых быстроотверждающихся покрытий. Однако надо иметь в виду, что высокая температура отверждения может привести к повреждению термочувствительных компонентов на плате. В практике считается, что время второго этапа отверждения не должно превышать 30 минут при комнатной температуре. 9.2.7. Электрические свойства Влагозащитное покрытие должно обладать хорошими электроизоляционными свойствами. Эти свойства не должны ухудшаться с изменением температуры и влажности. Кроме того, покрытие не должно отрицательно влиять на характеристики электрической схемы. Например, некоторые покрытия при низких частотах не влияют на работоспособность схемы, но приводят к отказу схемы на частотах выше 10кГц. Диэлекрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь возрастают, тогда как сопротивление и электрическая прочность диэлектрика уменьшаются. Повышение тангенса угла диэлектрических потерь означает увеличение потерь полезной энергии и связанный с этим нагрев аппаратуры. Добротность колебательных контуров обычно уменьшается при увеличении частоты и толщины покрытия. 9.2.8. Влагопроницаемость / влагопоглощение Поглощение влаги покрытием, как из воздуха так и из водяной пленки на поверхности печатного узла влечет за собой уменьшение удельного объемного сопротивления, а также увеличение поверхностных токов. Следовательно, покрытия должны иметь низкие показатели влагопроницаемости и влагопоглощения. 9.2.9. Химическая совместимость и химическая стойкость Влагозащитное покрытие должно быть электрохимически совместимым с материалом печатного узла, компонентами и химическими соединениями, оставшимися на плате в результате выполнения предыдущих технологических операций. Они не должны разъедать корпуса компонентов и удалять с них маркировку. Некоторые химические соединения могут влиять на адгезию влагозащитного покрытия с платой, препятствовать отверждению покрытия или замедлять его. Перед применением покрытия настоятельно рекомендуется провести испытания на совместимость покрытия и материала платы. Кроме этого рекомендуется провести испытания поверхностного сопротивления изоляции (SIR-Test) конечного продукта. Этот тест позволит выяснить, существует ли электрохимическое взаимодействие между покрытием и различными химическими соединениями – паяльной маской, клеем, остатками флюса, промывочной жидкости. Большинство материалов влагозащитных покрытий обладают весьма высокой устойчивостью в различных химически агрессивных средах. Однако если печатный узел будет подвергаться продолжительному воздействию агрессивных химических соединений, таких как углеводороды, необходимый уровень защиты могут обеспечить только покрытия на основе эпоксидных смол. 180 9.2.10. Механическая стойкость Влагозащитное покрытие должно обеспечивать определенную ударную вязкость и устойчивость к истиранию. Покрытие должно быть максимально эластичным, иначе самая хорошая адгезия покрытия к плате не убережет его от отслоения. 9.2.11. Ремонтопригодность В ряде случаев бывает необходимо полностью или частично удалить влагозащитное покрытие с печатного узла, для того чтобы извлечь вышедший из строя элемент с целью его ремонта или замены. Поэтому покрытия должны легко удаляться с помощью растворителей или механически. После завершения ремонта необходимо тщательно очистить место вскрытия влагозащитного покрытия. Затем заново нанести покрытие и высушить его. При этом материалы, используемые для восстановления покрытия должны быть того же типа, что и первоначальное покрытие. 9.2.12. Термоустойчивость Покрытия должны выдерживать локальные температурные нагрузки, вызываемые рассеиваемой компонентами мощностью, без видимых ухудшений своих свойств. При повышении температуры покрытия должны сохранять хорошие диэлектрические свойства. Длительное воздействие высоких температур может привести к изменению цвета покрытия, растрескиванию, усыханию, а также снижению электрической прочности покрытия. 9.2.13. Устойчивость к грибкам Неорганические покрытия не являются питательной средой для плесневых грибков, однако некоторые органические покрытие сильно плесневеют. Для предотвращения плесневения в покрытия добавляются противогрибковые добавки - фунгициды. Появление плесени на материалах, которые, казалось бы, не могут плесневеть, связано с загрязнением поверхности. Тонкий слой загрязнения от пота рук или от пыли достаточен для роста плесневых грибков. 9.3. Технологические материалы 9.3.1. Акриловые покрытия Акриловые влагозащитные покрытия быстро полимеризуются (достигают оптимальных физических параметров через несколько минут), устойчивы к плесневым грибкам и обладают длительным временем жизни в ванне. Кроме того, во время нанесения акриловые покрытия не выделяют или почти не выделяют тепла (выделение тепла представляет угрозу для теплочувствительных компонентов), не дают усадку (явление местного чрезмерного механического напряжения на компоненты и паяные соединения). Из всего многообразия влагозащитных покрытий предлагаемых на рынке, акриловые обладают наибольшей влагостойкостью. Они также обладают сравнительно высокими диэлектрическими характеристиками, выборочной химической стойкостью и хорошей термоустойчивостью. Акриловые покрытия легко наносить. Во время ремонта их можно легко удалить специальным раствором, или паять непосредственно через покрытие при местном ремонте. 181 9.3.2. Полиуретан Полиуретановые (уретановые) покрытия обеспечивают отличную химическую стойкость в сочетании с хорошими показателями влагопоглощения, диэлектрическими и температурными характеристиками. Однако, высокая стойкость к химическому воздействию является причиной того, что эти покрытия очень трудно удалять при ремонте. При ремонте или замене элемента должен быть применен специальный компаунд. Но этот компаунд оставляет загрязнения, которые могут ухудшить характеристики узла и его надежность, также ухудшить адгезию нового покрытия. Поэтому после применения компаунда печатный узел необходимо тщательно отмывать. При ремонте паять можно сквозь покрытие. В этом случае образуется буроватый остаток, который обычно не ухудшает характеристик платы, а лишь наносит вред ее внешнему виду. Полиуретановые покрытия обычно выпускаются в виде одно- или двух компонентного состава. Чистый (однокомпонентный) полиуретан, легко применять. Однако до полной его полимеризации иногда требуется 3 – 10 дней при комнатной температуре. С другой стороны, двухкомпонентный состав, достигает оптимальных свойств при повышенной температуре за 1 – 3 часа, но имеет время жизни от 30 минут до 3 часов. 9.3.3. Покрытия на основе эпоксидных смол Покрытия на основе эпоксидных смол обеспечивают отличную устойчивость к механическим воздействиям (устойчивость к истиранию) и химическую стойкость, но обладают слабыми диэлектрическими характеристиками и влагоустойчивостью. Эпоксидные покрытия практически невозможно удалить во время ремонта, т.к. сама плата, корпуса компонентов также состоят из материалов на основе эпоксидных смол и могут подвергнуться агрессивному воздействию со стороны очищающих жидкостей. Эффективным методом ремонта платы или замены компонента является прожигание эпоксидного слоя паяльником или удаление его ножом. При применении большинства эпоксидов, следует применять «амортизирующие» материалы вокруг хрупких элементов платы, чтобы предотвратить их поломку вследствие усадки во время полимеризации. Время полимеризации – среднее. Отверждение эпоксидного покрытия происходит в течение 1 – 3 часов при повышенной температуре или 4 – 7 дней при комнатной температуре. Недолговечность материала накладывает ограничения на его эффективное использование. 9.3.4. Силиконовые влагозащитные покрытия Силиконовые покрытия обеспечивают высокие температурные, диэлектрические показатели и влагоустойчивость, но обладают ограниченной химической стойкостью. Очень малое поверхностное натяжение обеспечивает проникновение во все участки печатного узла. Главное достоинство силиконовых покрытий - в высокой термоустойчивости вплоть до 200°С. Их применение желательно при наличии на печатных узлах тепловыделяющих компонентов, таких как мощные резисторы. Наряду с эпоксидными силиконовые покрытия могут вызвать трудности при ремонте, и они несколько дороже по сравнению с другими типами влагозащитных покрытий. 182 Следует отметить, что силиконовые покрытия не идеальны. Так их режим работы в условно влажной среде, как правило, в 10 – 20 раз хуже по сравнению с другими покрытиями. Однокомпонентное силиконовое покрытие для полимеризации обычно требует наличия свободного гидроксильного радикала. Это значит, что оно не будет отверждаться в совершенно сухой атмосфере. В этом состоянии, до отверждения, он гигроскопичен. После отверждения, гигроскопичность снижается, но вследствие пористости материала захваченная им влага не испаряется. Двухкомпонентные силиконовые покрытия используют другие механизмы отверждения, поэтому они менее гигроскопичны до отверждения. Тем не менее они практически так же пористы. Любая незаполненная покрытием полость, особенно в комбинации с остатками флюса или другими гидрофильными загрязнениями, при эксплуатации во влажной среде может быть заполнен водой. Помимо этого силикон имеет очень большой термический коэффициент расширения (ТКР) (например 300 – 350 ppm/°C) по сравнению с припоем (16 ppm/°C). Кроме того, силиконы обладают еще одной уникальной особенностью. Будучи очень мягкими на ощупь, они приобретают высокую твердость при воздействии ударной нагрузки. Следует также отметить, что силиконы классифицируют как VOC (Volatile Organic Compounds) по законодательству Европейского сообщества. Акрилы Полиуретан Эпоксид Силикон (AR) (UR) (ER) (SR) Отличная Отличная Хорошая Отличная Хорошая Отличная Удовлетворит. Хорошая Сопротивление истиранию Удовлетворит. Хорошее Отличное Хорошее Механическая прочность Удовлетворит. Отличная Отличная Хорошая Термоустойчивость Хорошая Удовлетворит. Удовлетворит. Отличная Кислотостойкость Хорошая Отличная Отличная Хорошая Щелочестойкость Удовлетворит. Отличная Отличная Хорошая Устойчивость к органическим растворителям Плохая Отличная Отличная Хорошая Диэлектрическая проницаемость 23ºС, 1 МГц 2.2 – 3.2 4.2 – 5.2 3.3 – 4.0 2.6 – 2.7 Ремонтопригодность Плохая Плохая Плохая Хорошая Характеристики Влагостойкость Влагостойкость (длительный период) Табл. 9.1. Сравнение характеристик материалов влагозащитных покрытий 183 9.3.5. Параксилилен Используемые традиционно эпоксидные, силиконовые, уретановые покрытия, получаемые из жидкой фазы, не могут обеспечить защиту микросхем с малым шагом выводов, и тем более микросхем в корпусах BGA. Наиболее изученными и полностью обеспечивающими защиту от климатических воздействий и агрессивных сред для электронной аппаратуры являются полипараксилиленовые покрытия, получаемые вакуумпиролитической полимеризацией из цикло-ди-n-ксилиленов. Получаемое при этом покрытие имеет название «Парилен». Особенности полипараксилиленового покрытия: • • • • • • • • • • • • Хорошая проникающая способность и равномерность покрытия, в т.ч. под компонентами, на местах паек, выводах и т. п. Высокая адгезия к различным материалам. Хорошие электроизоляционные свойства. Низкая влаго- и газопроницаемость. Устойчивость к химическим воздействиям. Высокая эластичность. Отсутствие значительного влияния покрытия на тепловые режимы работы аппаратуры за счет малой толщины (7-12 мкм) и удовлетворительной теплопроводности полимерной пленки. Отсутствие внутренних напряжений. Контролируемая толщина покрытия. Хорошая ремонтопригодность изделий. Недостатки: Неустойчивость покрытия к длительному воздействию ультрафиолета. Ограничения на типы используемых компонентов, вызванные высокой проникающей способностью покрытия (компоненты должны быть в герметичных корпусах и выдерживать воздействие вакуума). 9.3.5.1. Технология нанесения Производится тщательная многостадийная отмывка модулей от остатков паяльных материалов и других загрязнений. Выполняется герметизация компонентов в негерметичных корпусах, а также защита контактов разъемов от проникновения полимера. Отмывка Модули закрепляются на специальных барабанах и помещаются в камеру осаждения. Нанесение полипараксилиленового покрытия происходит на Подготовка специальных вакуумных установках. (маскирование и Исходный продукт дипараксилилен (димер) или его герметизация) хлорзамещенные производные возгоняются в вакууме при температуре 120 – 200ºС и давлении ~ 0,1 мм рт. ст. Пары димера попадают в камеру пиролиза, где происходит его Осаждение в разложение на активный мономер. паровой фазе Конечная стадия процесса происходит в камере осаждения, где активный мономер конденсируется на поверхности изделия, при Контроль температуре окружающей среды превращаясь в твердый мономер без качества образования жидкой промежуточной фазы. Толщина покрытия регулируется в широких пределах изменением технологических (визуальный и на спец. аппаратуре) режимов. После нанесения покрытия производится тщательный 184 контроль его качества с использованием систем визуального контроля. Качество исходного материала и полученной пленки контролируется использованием спектрофотометрической лаборатории. с 9.4. Методы нанесения влагозащитных покрытий Эффективность влагозащитных покрытий в некоторой степени зависит от метода нанесения, который в свою очередь влияет на тип применяемого покрытия (некоторые поставщики предлагают специальные версии одних и тех же покрытий для различных методов нанесения). В основном существует четыре основных метода нанесения влагозащитного покрытия: погружением, селективное нанесение автоматом, распыление и нанесение кистью. 9.4.1. Погружение Погружение печатного узла в ванну с материалом влагозащитного покрытия наиболее эффективный метод нанесения. Однако в этом случае требуется, чтобы конструкция печатного узла предусматривала возможность нанесения этим методом. Компоненты, на которые не должно наноситься влагозащитное покрытий (разъемы, потенциометры, предохранители и т.д.), должны быть сгруппированы на одном участке печатного узла. В противном случае эти участки подлежат маскированию. Погружение способствует хорошему проникновению покрытия под компоненты и полному обволакиванию труднодоступных мест. Сложные поверхности и формы (такие как кубические элементы) могут быть эффективно покрыты только методом погружения. Вертикальное погружение печатного узла в ванну гарантирует равномерность покрытия. Основными факторами, влияющими качество покрытия погружением, являются скорости погружения и извлечения печатного узла из ванны. Обычно рекомендуется погружение со скоростью 15–30 см/мин. Такой скорости достаточно для удаления воздуха из-под корпусов компонентов и избежания образования воздушных пузырей. Это особенно важно при покрытии печатных узлов с компонентами поверхностного монтажа. Печатный узел должен быть извлечен из ванны, после того как полностью прекратится выделение пузырьков. Для образования равномерной пленки скорость извлечения должна быть ниже, чем скорость стекания материала влагозащитного покрытия в ванну (обычно 2.5–15 см/мин.). Однако следует иметь в виду, что понижение скорости извлечения приведет к уменьшению толщины покрытия. Для достижения лучших результатов температура материала в ванне должна поддерживаться на уровне 20–30ºС. При нанесении влагозащитного покрытия погружением относительная влажность окружающей среды не должна превышать 65%. В противном случае могут образоваться точечные дефекты, помутнение и ухудшение структуры поверхности. Испарение растворителя из ванны увеличивает вязкость материала влагозащитного покрытия. Поэтому вязкость нужно постоянно контролировать и при необходимости добавлять растворитель. Однако, потери растворителя в случае погружения меньше, чем при других методах нанесения. Чтобы обеспечить оптимальную безопасность оператора машины, установки нанесения влагозащитных покрытий снабжаются аргоновыми газовыми ножами, устанавливаемыми над поверхностью материала покрытия в ванной. Подача аргона позволяет: • снизить потери растворителя, • исключить образование пленки на поверхности ванны из-за контакта материала покрытия с воздухом. 185 Ванна также снабжается стационарным насосом перекачки для повторяемости результатов и постоянного контроля за уровнем погружения. лучшей 9.4.2. Селективное автоматизированное нанесение Наиболее популярный современный метод нанесения влагозащитных покрытий – селективное автоматизированное нанесение. Высокоточное автоматическое оборудование выборочно наносит покрытие на печатный узел, который загружается в автомат вручную либо по конвейеру. Конвейер встраивается в оборудование для использования его в поточной линии. Преимуществами селективного автоматизированного нанесения является относительно высокая производительность, экономичность и возможность использования закрытых (герметичных) камер для предотвращения загрязнения материалов. Главный недостаток метода – цена. Автоматы селективного нанесения более дорогие по сравнению с другим оборудованием нанесения покрытий. Метод селективного нанесения покрытия не устраняет необходимость маскирования, а лишь помогает минимизировать его. Рис. 9.6 Рис. 9.7 Некоторые автоматы используют комбинацию двух типов распылителей: игла/насадка (наносит капли материала вокруг компонентов и труднодоступных зонах печатного узла) и распылитель-пульверизатор (для распыления покрытия на большие участки платы). Материал, наносимый с помощью дозирующей иглы, имеет форму капель (не распыляется). Однако дозирование – процесс медленный. Существует и еще один недостаток. Большинство дозаторов имеют склонность к капанию, т. к. клапаны, управляющие процессом дозирования, располагаются далеко от иглы. Капание – неконтролируемый процесс. При этом появляется риск попадания капли на непокрываемые области печатного узла (например, разъемы) или на конвейер, приводя к снижению качества нанесения и загрязнению автомата. Нанесение из распылителя-пульверизатора имеет свои недостатки. Этот процесс может приводить к образованию избытка материала покрытия на отдельных участках печатного узла. Во время нанесения большинство частиц осаждается в требуемой области, но некоторый процент частиц будет оседать и за ее пределами. В результате получаются неравномерные или неровные края, которые могут быть недопустимыми в некоторых случаях. Общим правилом при проектировании печатных узлов, подлежащих влагозащите, является установка допуска +/- 2 мм между покрываемыми и непокрываемыми участками. 9.4.3. Распыление Распыление используется в тех случаях, когда конструкция печатных узлов не позволяет наносить влагозащитное покрытие погружением. Обычно это печатные узлы с беспорядочным расположением непокрываемых участков. 186 Распыление – более дорогой метод, требующий больших затрат времени и маскирования. Несмотря на это, на сегодняшний день этот метод наиболее распространен в мире. Этот метод нанесения влагозащитного покрытия обеспечивает наиболее привлекательный внешний вид печатного узла. По сравнению с погружением - распыление более медленный процесс. Кроме того необходимы дополнительные затраты на организацию обязательной местной вытяжной вентиляции. К тому же можно столкнуться с проблемой образования теневых эффектов и недостаточным проникновением покрытия под корпуса компонентов. Метод распыления может быть разделен на три альтернативных метода: • Автоматическое распыление. • Ручное распыление. • Аэрозольное распыление. 9.4.4. Автоматическое распыление Нанесение покрытия с помощью автоматов более эффективно по сравнению с любыми ручными методами, которым свойственны невысокая точность и низкая повторяемость. Использование автоматизированного оборудования имеет смысл, если объемы производства достигают 350 – 700 плат в час. Автоматы наносят покрытие через совокупность дозирующих игл и распылительных головок по одной из стандартных программ или программе, составленной пользователем. Все методы распыления обеспечивают лучший результат, когда печатный узел находится в горизонтальном положении. Благодаря этому • исключается образование подтеков и скопление излишнего материала на границах компонентов, • исключается эффект затенения. Автоматическая система фирмы Concoat, встраиваемая в линию, оборудована специальным конвейером с регулируемой скоростью от 5 до 30 см/мин. Печатный узел загружается на конвейер и автоматически подается в распылительную камеру. Распылительная камера снабжена четырьмя распылительными головками, расположенными под углом для эффективного объемного нанесения. Головки смонтированы на раме, совершающей возвратно-поступательное движение посредством шарико-винтовых пар. Распылительная камера также оборудована системой вентиляции и улавливания избытка материала, а также имеет фильтры. Сушка материала влагозащитных покрытий производится в специальных инфракрасных и конвекционных зонах. Эти системы идеально пригодны для малых объемов производства с широкой номенклатурой изделий, и обычно на 50 % дешевле, чем автоматы для селективного нанесения. 9.4.5. Ручное распыление Это популярный метод нанесения, который применяется при малых объемах производства. Ручное распыление имеет следующие недостатки: • необходимо два, желательно три нанесения для получения желаемого результата, • не может быть гарантирована 100% повторяемость, • теневые эффекты и недостаток покрытия под компонентами, • безопасность операторов и пожарная безопасность должны быть обеспечены на очень высоком уровне, • необходимость обеспечения вентиляции рабочей зоны, 187 • • вертикальное распыление горизонтальных поверхностей затруднительно и не рекомендуется, процесс нанесения очень медленный и трудоемкий. Вследствие повышенного содержания растворителя при ручном распылении содержание твердых частиц составляет обычно 15 – 20 %. Поэтому для получения гарантированной толщины пленки 25 – 75 мкм требуется два-три нанесения на каждую сторону платы. 9.4.6. Аэрозольное распыление Этот метод удобен, но непригоден для массового производства, т.к. содержание твердой составляющей очень низкое (иногда менее 5 %) по сравнению с методами ручного и автоматизированного нанесения. По этой причине для формирования покрытия требуемой толщины необходимо не менее 4-х нанесений. 9.4.7. Нанесение покрытия кистью Применение этого метода не оправдано в массовом производстве. Нанесение кистью очень удобно при ремонте и при обработке опытных образцов. Важно обратить внимание на то, что чем толще покрытие, тем выше вероятность брака вследствие захвата пузырьков воздуха. При использовании этого метода рекомендуется использовать кисти со щетиной из натуральных материалов во избежание скопления электростатического заряда. Ручка кисти должна быть не окрашенной, чтобы предотвратить загрязнение покрытия краской. 9.4.8. Нанесение покрытий в несколько слоев Дефекты с наибольшей вероятностю могут быть перекрыты при при нанесении покрытий в несколько слоев (см. Рис. 9.8). Каждый метод нанесения имеет свои преимущества и недостатки. Комбинация погружения и распыления дает лучшие результаты, чем любой из методов в отдельности. А: Неотвержденный Б: Отвержденный слой слой В: 2 отвержденных Г: 3 отвержденных слоя слоя Рис. 9.8. Нанесение покрытий в несколько слоев. На рис. А и Б в увеличенном масштабе показано образование проколов, растягивание покрытия на острых углах и формирование выступов после нанесения одного слоя. На рис. В проиллюстрировано существенное снижение количества проколов после нанесения второго слоя. На рис. Г приведен тот же компонент с тремя нанесенными слоями и практически полном отсутствии проколов изоляции Методы нанесения влагозащитных покрытий 188 селективное автоматическое нанесение погружением распылением ручное осаждение из парообразной фазы автоматичес аэрозольное кое Рис. 9.9. Методы нанесения влагозащитных покрытий 9.5. Литература 1. Медведев А. М. Надежность и контроль качества печатного монтажа. – М.: Радио и связь, 1986 с:, ил. 2. Гелль П. П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1984. – 536 с., ил. 3. М. Волк, Ж. Леффордж и Р. Стенсон. Герметизация электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры. М. – Л., Издательство «Энергия», 1966. 4. Дж. М. Дьюкс. Печатные схемы их конструирование и применение. – М.: Иностранная литература 1963. 5. Материалы ЗАО Предприятия ОСТЕК 189 10. Визуальный контроль 10.1. Введение Технология поверхностного монтажа является одной из наиболее современных и прогрессивных на сегодняшний день. Эта технология производства ПУ имеет огромные перспективы в будущем. Большинство предприятий, занимающихся сегодня электроникой, используют производственные линии поверхностного монтажа. Одним из этапов в процессе производства является визуальный контроль. Визуальный контроль занимает одно из наиболее важных мест в контроле качества производства и обеспечения надежности. Он является методом неразрушающего контроля, позволяющим выявлять дефекты в микросхемах, паяных соединениях и ПУ. Визуальный контроль следует проводить разными методами, как ручным, так и автоматическим. Целью системы визуального контроля является обеспечение необходимого выхода годных изделий для обеспечения расчетной трудоемкости и высокого качества готовой продукции. Общепринятым нормативом для поверхностного монтажа является выход годных 95% ПУ. Существенные отклонения от данного объективного параметра говорят о серьезных отклонениях от нормального технологического процесса. Обязательному контролю подлежат все фазы технологического процесса. 10.2. Методы визуального контроля Существует два основных метода визуального контроля: • прямой визуальный контроль; • непрямой визуальный контроль. Эти термины определены в соответствии с DIN EN 13018/1330-10, исходя из того, как распространяется свет от контролируемой поверхности к глазу наблюдателя. Прямой визуальный контроль – визуальный контроль с непрерывным ходом лучей между глазами оператора и контролируемой поверхностью. Этот контроль проводится без или со вспомогательными средствами – например, с зеркалом, линзой, эндоскопом или волоконно-оптическими приборами. Непрямой визуальный контроль – визуальный контроль с прерыванием хода лучей между глазами оператора и контролируемой поверхностью. Непрямой визуальный контроль предполагает применение видео- и фототехники, автоматизированных устройств и роботов. Визуальный контроль Непрямой Прямой Местный Обзорный Рис. 10.1. Методы визуального контроля Прямой визуальный контроль. В этом случае контролируемая поверхность осматривается непосредственно глазами. Общий осмотр, детальное исследование и оценка мест возможного нахождения дефектов – это операции, которые сильно зависят от человеческого фактора. К наиболее сложно обеспечиваемым условиям действенного визуального контроля относятся хорошая подготовка и опыт оператора и детальная инструкция по проведению осмотра. DIN EN 13018/1330-10 требует, чтобы инструкция предоставлялась по первому требованию. Прямой визуальный контроль может 190 проводиться со вспомогательными средствами или без них. Вспомогательные средства необходимы, если контролируемая поверхность недоступна или угол поля зрения слишком мал для детального осмотра. DIN EN 13018/1330-10 устанавливает более или менее произвольные границы для угла зрения – от 30° относительно контролируемой поверхности. Рис. 10.2. Прямой визуальный контроль При меньших углах необходимо применение вспомогательных средств, например, зеркала или эндоскопа. Эндоскоп, который сконструирован с линзами или световолокном, позволяет непосредственно наблюдать недоступные или плохо видимые поверхности, расположенные слишком близко. Непрямой визуальный контроль. В этом случае есть возможность разделить функции собственно оператора, который, например, делает видеоснимок, и расшифровщика, дающего заключение, на основе которого принимается решение. Кроме того, отдельно можно выделить процедуры увеличения снимка, обработки изображения, измерения, которые должны помочь расшифровке. При этом с одной стороны существует опасность, что из-за плохого качества снимка дефекты не будут обнаружены, а с другой – возможность переусердствовать и выдать неверное заключение. DIN EN 13018/1330-10 требует доказательства, что применяемая при непрямом контроле система отвечает требованиям контроля. Для этого необходимо применение стандартного образца, который должен соответствовать объекту контроля по отражающей способности, структуре поверхности, контрасту и доступу. Метод должен быть проверен в худших условиях. Стандартный образец можно заменить моделями реальных объектов контроля, построенными по общепринятым технологиям. Обзорный контроль. Обзорным контролем называют также общий или глобальный визуальный контроль общего состояния объекта контроля посредством быстрого осмотра или мгновенной оценки (DIN EN 1330-10). Его цель и назначение – установить пригодность объекта к контролю и необходимость детального контроля. Если обзорный контроль проводится методом прямого визуального контроля, то по DIN EN 13018 минимальная освещенность поверхности контроля должна быть 160 Лк. Местный визуальный контроль. Этот метод, именуемый также детальным или локальным визуальным контролем, может по стандарту DIN EN 13018 проводится как прямой или непрямой визуальный контроль. Прямой местный визуальный контроль без вспомогательных средств, то есть только глазами, проводится, если объект контроля удален от глаз не более чем на 600 мм, то есть находится в зоне видимости (классическое определение: область длиной до локтя) (см. Рис. 10.3). 191 Рис. 10.3. Локальный визуальный контроль Если объект контроля нельзя приблизить, например, из-за его недоступности, токсичности или радиоактивности, необходимо применять вспомогательные средства. Эти средства необходимы также и внутри зоны видимости, если угол обзора слишком мал. Роль контраста. Такие дефекты, как трещины, поры, ямки, образованные при травлении, могут быть выявлены визуальным контролем при наличии хорошего контраста между дефектным участком и остальной поверхностью объекта. Добиться хорошего контраста можно путем: • предварительной подготовки контролируемой поверхности (уменьшения фона); • улучшения освещения. Подготовка поверхности для минимизации фона включает в себя ее очистку наждаком, шлифовку, а затем и аккуратную полировку. Освещение – это также очень важный фактор для обеспечения хорошей оценки при контроле, так как благодаря хорошему освещению границы раздела между дефектными зонами и остальной поверхностью образца будут четкими и яркими, как по цвету, так и по контрасту. В DIN EN 13018 установлен минимальный уровень освещенности поверхности образца, необходимый для проведения местного визуального контроля, равный 500 Лк. Хотя для уверенного решения большого количества задач и надежного обнаружения дефекта освещенность должна составлять 1000 Лк, а часто и много больше. С другой стороны, при увеличении яркости освещения важно иметь в виду, что если контроль производится при малых углах зрения относительно контролируемой поверхности, возникают блики и так называемый "эффект ослепления", которые могут привести к пропуску некоторых дефектов. Таким образом, для наиболее уверенного контроля направление освещения должно совпадать с направлением осмотра. Также для улучшения контрастности важна цветовая температура источника света. Требования к персоналу. В DIN EN 130180 отсутствуют квалификационные нормы для персонала, осуществляющего визуальный контроль, хотя в DIN EN 473 сформулированы требования к "ближнему" зрению. Общими требованиями к персоналу являются: • основательное знание всего комплекса необходимых правил и норм, а также способность пользоваться необходимыми для контроля приборами; • умение организовать процесс осмотра, а также способность обеспечить условия, близкие к условиям эксплуатации образцов; • нормальное ближнее зрение и способность правильно различать цвета; • нормальное дальнее зрение. В DIN EN 473, пункт 1, определены требования к рабочему месту оператора. Необходимые профессиональные качества и навыки также регламентируются DIN EN 473. Эти требования относятся также и к обзорному контролю. В DIN EN 13018, который соответствует международной норме ISO 8569 (тест Ландольта), установлен минимальный угол обзора равный 0,63 радиана. Этот норматив должен пересматриваться каждый год. 192 Документация и отчеты. Перед проведением визуального контроля должен быть составлен план, после обследования – отчет. В отчете и плане контроля важно указать все характеристики, которые нужно зарегистрировать и измерить, а также привести таблицы, в которые по результатам обследования занести все измеренные величины. На основе этих таблиц делаются необходимые расчеты и выводы о наличии или отсутствии дефектов и их параметрах. 10.3. Технологические операции, где необходимо применение визуального контроля Входной контроль ПП Входной контроль комплектующих Входной контроль расходных материалов Контроль состояния оборудования Выходной контроль качества монтажа Рис. 10.4. Обобщенная структурная схема системы визуального контроля Входной контроль ПП. На предприятии должны быть выработаны внутренние требования к качеству ПП, которые доводятся до сведения изготовителей. Целесообразно возложить ответственность за их разработку на начальника участка. При получении ПП от производителя они подлежат обязательному входному контролю согласно внутренним требованиям. Негодные ПП должны быть оформлены по акту и возвращены изготовителю. Входной контроль комплектующих. При использовании комплектующих из упаковки производителя, как правило, нет необходимости в дополнительном входном контроле. При использовании предварительно подготовленных комплектующих необходимость контроля зависит от степени соблюдения технологии обращения с электронными компонентами (чувствительность к статическому электричеству и прочее). Решение принимает технический директор. Входной контроль расходных материалов. Расходные материалы, используемые при монтаже (флюс, припой, промывочная жидкость), также подлежат входному контролю на соответствие собственным техническим требованиям. Решение об использовании тех или иных материалов принимает начальник участка. Целесообразно также предоставить ему право непосредственных закупок (или право контроля накладных) расходных материалов. Негодные материалы должны быть оформлены по акту и возвращены продавцу. Контроль состояния оборудования. Ответственность за правильное использование вверенного оборудования несет использующий его работник предприятия. Ответственность за поддержание оборудования монтажного комплекса в рабочем состоянии лежит на начальнике участка. Выходной контроль качества монтажа. Решение по дополнительному выходному контролю принимает начальник участка. При этом следует принять во внимание следующее обстоятельство: при выполнении контроля по пунктам 1-4, выход годных ПУ зависит только от работы монтажного комплекса и может быть оценен по объективному критерию. Результатом оценки должно быть принятие решения о премировании коллектива. В этих условиях завершающий контроль может быть рекомендован, но не обязателен. 193 Входной визуальный контроль ПП Очистка ПП Нанесение паяльной пасты Установка компонентов Визуальный контроль Пайка компонентов Установка компонентов Предварительная сборка Визуальный контроль Оплавление припоя Визуальный контроль пайки Отмывка ПУ Нанесение защитного покрытия Термоциклирование Визуальный контроль Сборка Тестирование Рис. 10.5. Обобщенная структурная схема визуального контроля технологии поверхностного монтажа 10.4. Возможности и погрешности визуального контроля Выявляемые дефекты. Дефекты, которые можно определить с помощью визуального контроля: • неоднородная или пористая поверхность выводов, царапины; • деформация формы (асимметричность, впадины и выпуклости, искривления); • микротрещины; • изменения цвета; • микрокапли и брызги припоя; • остатки флюса; • посторонние включения; • неправильная установка компонента. Рис. 10.6. Микротрещина в компоненте Рис. 10.7. Неправильная установка компонента 194 Рис. 10.8. Смещение компонента Рис. 10.9. Эффект надгробия Рис. 10.10. Микрокапли и брызги припоя Рис. 10.11. Короткое замыкание Рис. 10.12. Несоблюдение температурного режима пайки Погрешности визуального контроля. Погрешности визуального контроля при прямом и непрямом методе визуального контроля различны. При прямом визуальном контроле погрешность зависит от опыта, квалификации и степени подготовки оператора, а также сложности объекта контроля и общего состояния оператора. При непрямом методе погрешность визуального контроля определяется техническими возможностями оборудования, количеством камер, качеством базы данных эталонов для сравнения, количеством в ней эталонов. 10.5. Технологическое оборудование, предлагаемое ОСТЕК Предприятие ОСТЕК предлагает оборудование фирмы Vision Engineering Ltd., основанной в 1958 г. и ставшей одним из самых передовых в мире и динамично развивающихся производителей микроскопов. Vision специализируется на безокулярных и окулярных с увеличенным обзором стереомикроскопах и бесконтактных измерительных 195 системах для промышленности и для биологических наук. Фирма обладает мировыми патентами на технические решения, которые обеспечивают максимальную эргономику для моно и стерео оптических микроскопов. Компания производит функциональнозаконченные моно- и стереомикроскопы, а также аксессуары для улучшения параметров систем других известных производителей – эти технические решения используются в знаменитой безокулярной системе визуального контроля и бесконтактных измерений Dynascope™, стереоувеличителях Mantis®, окулярных стереомикроскопах Alpha®, безокулярных стереомикроскопах Lynx® и расширенных окулярах ISIS. Для визуального контроля качества пайки компонентов со скрытыми выводами (BGA, μBGA) предлагается специально разработанная для этих целей фирмой ERSA система ERSASCOPE. 10.5.1. Визуальный контроль 10.5.1.1. Стереоувеличитель Mantis Mantis объединяет в себе легкость наблюдения настольной линзы с высоким разрешением микроскопа. Настольная линза имеет ограничения по увеличению и разрешению, а окулярные микроскопы трудно использовать. Mantis создает четкие по краям, трехмерные стерео изображения, а большое поле обзора повышает комфорт. Операторы больше не будут страдать от усталости глаз, шеи или спины обычно ассоциирующимися с окулярными технологиями. Во время работы можно с комфортом пользоваться защитными или корректирующими зрение очками. Mantis является лидирующей в мире визуальной системой для промышленного производства и контроля качества. Рис. 10.13.Стандартное исполнение Mantis Mantis FX имеет жесткий штатив с возможностью изменения фокусного расстояния и яркое освещение основания, которые делают Mantis FX идеальным для работы при большем увеличении. Рис. 10.14. Mantis FX с жестким штативом Mantis UV позволяет производить со стерео увеличением контроль трещин, щелей и влагозащитных покрытий. Устойчивое освещение ультрафиолетовым или белым светом 196 позволяет более эффективно обнаруживать дефекты путем мгновенного высвечивания трещин и точечного окрашивания. Рис. 10.15. Mantis UV с ультрафиолетовым освещением Увеличение Рабочее расстояние, мм Глубина поля, мм Поле зрения, мм 2х 171 25 56 4х 86 11 28 6х 55 5 20 6х SLWD 112 5 20 8х 41 3 15 10х 41 2,5 12 Табл. 10.1. Технические характеристики стереоувеличителя Mantis 10.5.1.2. Окулярный стереомикроскоп Alpha Стереомикроскоп Alpha с применением запатентованной технологии расширенных окуляров ISIS фирмы Vision Engineering дает до 10 раз больше свободы положения головы по сравнению с традиционными микроскопами. Технология ISIS расширяет оптический выход с помощью метода лентикулярных оптических поверхностей, позволяя голове оператора находится на расстоянии более 38 мм от окуляров. Стереомикроскоп Alpha исключает необходимость совмещать с высокой точностью глаза с центром каждого окуляра. Небольшое движение глаза не означает больше потерю части поля зрения, так как зрачок легко остается в пределах в 12 раз более широкого выходного изображения. Пользователи могут просто передвигать свои глаза для того, чтобы увидеть всю площадь изображения, что значительно лучше перемещения головы или контролируемого объекта. Можно работать с комфортом в очках или контактных линзах. Высокопрецизионная оптика обеспечивает максимально яркие и высококонтрастные изображения с увеличением до 160х (стандартно 7-40х). Модульная конструкция дает возможность пользователю выбирать из большого разнообразия дополнительных устройств, включая штативы, освещение и фотокамеры. Рис. 10.16. Стереомикроскоп Alpha Увели- Диапа- 1,5x 2x Рабочее 197 Поле зрения Поле зрения чение зон Умножители Умножители расстояние, мм 0,3х 0,5х 0,7х 1,0х 1,5х 2,0х 2,1-12х 3,5-20х 4,9-28х 7,0-40х 10,5-60х 14-80х 3,2-18х 5,3-30х 7,4-42х 10,5-60х 15,8-90х 21-120х 4,2-24х 7,0-40х 9,8-56х 14-80х 21-120х 28-160х 312 175 127 85 45 25 при макс. увеличении трансфокатора, мм 16,5 10 7 5 3 2,2 при мин. увеличении трансфокатора, мм 88 53 38 26,5 18 13 Табл. 10.2. Технические характеристики окулярного стереомикроскопа Alpha Ультрафиолетовое/белое освещение (см. Рис. 10.17) применяется для неразрушающего контроля, обнаружения трещин и повреждений, проверки влагозащитных покрытий ПУ и общего ультрафиолетового контроля. Рис. 10.17. Ультрафиолетовое освещение Стереомикроскоп Alpha с ультрафиолетовым освещением является исполнением системы Alpha, позволяющим контролировать со стерео увеличением флуоресцирующие в ультрафиолетовом свете трещины, щели и покрытия. Обнаружение дефектов осуществляется более эффективно при увеличенном высвечивании мелких трещин и эрозий. Яркое альтернативное освещение может быть включено с помощью ножной педали, оставляя свободными руки оператора. Дополнительные устройства для освещения: • Две высокочастотные концентрические лампы: ультрафиолетовая и белая (или две ультрафиолетовые); • Лампа с длительным сроком службы (около 3500 часов). Типовые характеристики (при 4х увеличении): • Ультрафиолетовая плотность: не менее 1300 мВт/см2; без белого освещения (дополнительно): не менее 2600мВт/см2; • Длина волны λ=365 нм; • Белый свет: 1,5 свечи на фут; • Независимый центральный выключатель для каждой ультрафиолетовой лампы; • Ножная педаль для белого освещения; • Электропитание: 100÷120В; 220÷240В переменного тока 10.5.1.3. Окулярный стереомикроскоп Beta Beta окулярные стереомикроскопы с трансфокатором обеспечивают высококачественное масштабируемое стерео изображение для промышленных и лабораторных применений. Высокопрецизионная оптика обеспечивает максимально яркие и высококонтрастные изображения, увеличение до 160х (стандарт 7-40х). Модульная 198 конструкция позволяет пользователю выбирать из широкого дополнительных устройств, включая штативы, освещение и камеры. разнообразия Рис. 10.18. Окулярный стереомикроскоп Beta Увеличение Диапазон 1,5x Умножители 2x Умножители Рабочее расстояние, мм 0,3х 0,5х 0,7х 1,0х 1,5х 2,0х 2,1-12х 3,5-20х 4,9-28х 7,0-40х 10,5-60х 14-80х 3,2-18х 5,3-30х 7,4-42х 10,5-60х 15,8-90х 21-120х 4,2-24х 7,0-40х 9,8-56х 14-80х 21-120х 28-160х 312 175 127 85 45 25 Поле зрения при макс. увеличении трансфокатора, мм 15 9 6,5 4,5 2,5 2 Поле зрения при мин. увеличении трансфокатора, мм 80 48 34 24 16,5 12 Табл. 10.3. Технические характеристики окулярного стереомикроскопа Beta 10.5.1.4. Безокулярный стереомикроскоп LYNX Представленный на рынок в 1999 году, Lynx быстро стал пользующимся большим спросом на рынке стереомикроскопом с трансфокатором. Безокулярный проектор дает несравнимую свободу положения головы и тела, исключая усталость оператора благодаря в 64 раза большему по сравнению с традиционными микроскопами выходному изображению. Можно также комфортно работать в очках или контактных линзах. Множество объективов и умножителей с различным фокусным расстоянием позволяет комбинировать увеличение до 120х с рабочими расстояниями согласно потребностям. Модульная конструкция позволяет пользователю выбрать оптимальный состав дополнительных монтажных, осветительных устройств и камер. Lynx стереомикроскопы поставляются с настраиваемым настольным штативом или с монтажным кронштейном (Рис. 10.19). Монтажный кронштейн дает гибкость при работе, в то время как настольный штатив обеспечивает большую стабильность при сильном увеличении. Рис. 10.19. Стереомикроскоп Lynx 199 Рис. 10.20. Система визуального контроля со стереомикроскопом Lynx Стереомикроскоп Lynx может быть легко оснащен адаптерами для множества камер, включая CCTV, 35 мм, Поляроид или цифровые камеры. Модульная конструкция Lynx позволяет просто и быстро монтировать адаптеры. Рис. 10.21. Сменные адаптеры для микроскопа Lynx Рис. 10.22. Сменный адаптер вместе с видеокамерой Увели- Диапазон 1,5x Умножичение тели 0,3х 0,5х 0,7х 1,0х 1,5х 2,0х 2,1-12х 3,5-20х 4,9-28х 7,0-40х 10,5-60х 14-80х 3,2-18х 5,3-30х 7,4-42х 10,5-60х 15,8-90х 21-120х 2x Умножители 4,2-24х 7,0-40х 9,8-56х 14-80х 21-120х - Рабочее Поле зрения Поле зрения расстопри макс. при мин. яние, увеличении увеличении мм трансфокатора, трансфокатора, мм мм 312 12 77 175 7 46 127 5 33 85 3,5 24 45 2,5 16 25 1,75 12 Табл. 10.4. Технические характеристики безокулярного стереомикроскопа LYNX 10.5.1.5. Рабочее место визуального контроля ПУ VS8 Так как технология поверхностного монтажа становится превалирующей, шаг выводов компонентов меньше, а конфигурации более сложными, современное оборудование должно соответствовать новым требованиям. 200 Рабочее место визуального контроля специально разработано для контроля качества сборки ПУ с компонентами поверхностного монтажа. Завершенное конструктивное исполнение в виде настольного блока имеет антистатическое покрытие, механизированный или ручной привод изменения угла обзора и переключения объективов, гарантирующий удобную работу оператора. Улучшенная эргономика, регулировка угла и направления осмотра контролируемого объекта, специальное освещение, высококачественное стереоскопическое изображение, большая глубина резкости, оптимальная цветопередача, антибликовый экран, легко перемещаемый рабочий стол с фиксацией положения и надежными зажимами для быстрого закрепления ПУ, оптическое увеличение до 80 крат, возможность работы в контактных линзах и очках – все это содействует эффективной, производительной работе, а также снижению напряжения и утомляемости оператора. Рис. 10.23. Стереомикроскоп VS8 Основной блок Угол зрения Увеличение Прямой Угловой вид вид Рабочее расстояние Прямо 6-40x 4-28x вниз и 34° от вертикали Прямо 12-80x 8-56x вниз и (с (с 34° от умножи- умноживертикали телем) телем) Lynx Alpha 28 Поле зрения Поле зрения при мин. при макс. увеличении увеличении трансфокатора, трансфокатора, мм мм Прямой вид Прямой вид 3,5 24 28 1,75 9,75 Табл. 10.5. Оптические характеристики рабочего места визуального контроля ПУ VS8 10.5.1.6. Аксессуары для LYNX, Alpha, Beta, VS8 Передовые стереомикроскопы Vision Engineering имеют широкий спектр оптических аксессуаров разработанных для повышения их характеристик и гибкости. Модульная конструкция (Рис. 10.24) позволяет легко и быстро устанавливать аксессуары. 201 Рис. 10.24. Модульная конструкция стереомикроскопа Проекционная система с изменяемым углом зрения. Проекционная система с изменяемым углом зрения позволяет оператору смотреть на объект под углом 34° от перпендикулярного положения. Это улучшает обзор трехмерных объектов, включая паяные соединения, отверстия, штыри и резьбовые соединения. Проекционная система с изменяемым углом зрения выпускается в моторизованном и ручном исполнении. Обе системы могут вращаться на 360° вокруг объекта. Моторизованная система имеет управление от мыши. Рис. 10.25. Проекционная система с измеряемым углом зрения Устройство наклона с фиксированным углом. Устройство наклона с фиксированным углом состоит из призмы 25° и дает: • фиксированный угол 25° от перпендикулярного положения; • возможность смотреть вертикально, наклоняя оптическую головку и используя систему стоя. Рис. 10.26. Устройство наклона с фиксированным углом Устройство наклона с изменяемым углом. Устройство наклона с изменяемым углом позволяет изменять положение глаз до 20°. Головка может наклоняться вперед для настройки на более низкое положение наблюдения или подниматься вверх для частичной компенсации угла зрения. 202 Рис. 10.27. Устройство наклона с измеряемым углом Устройство наклона для поточного производства. Устройство наклона для поточного производства может использоваться для визуального оптического контроля в производственной линии и манипулирования с объектами. Это в частности удобно при работе с объектами, устанавливаемыми с одинаковым углом (например, большие ПП). Рис. 10.28. Устройство наклона для поточного производства Шаговые умножители. Шаговые умножители легко устанавливаются и позволяют увеличить диапазон масштабирования стерео изображения с коэффициентом 1,5х или 2х. Диапазон дискретного увеличения Диапазон увеличения объективов 1,5x 2,0x 2,1-12х 3,2-18х 4,2-24х 3,5-20х 5,3-30х 7,0-40х 4,9-28х 7,4-42х 9,8-56х 7,0-40х 10,5-60х 14-80х 10,5-60х 15,8-90х 21-120х 14-80х 21-120х 28-160х Табл. 10.6. Характеристики шаговых умножителей Рис. 10.29. Шаговые умножители Измерительные и сравнительные сетки. Измерительные и сравнительные сетки могут устанавливаться на все стерео системы Vision Engineering. Они видны только одним глазом. Могут быть поставлены стандартные крестообразная или градуированная шкалы, а также изготовленные по индивидуальным требованиям заказчика. 203 Цифровые камеры. С системами Vision Engineering можно использовать большинство цифровых камер, которые допускают закрепление монтажным соединением типа «C». Некоторые цифровые камеры можно снимать с микроскопа и использовать отдельно для фотографирования. Большинство камер поставляется с соответствующим программным обеспечением для архивирования и простого анализа. Рис. 10.30. Цифровая камера, закрепленная на стереомикроскопе Видео и CCTV камеры. Видео и CCTV камеры от большинства ведущих производителей можно установить на стерео системы Vision Engineering. Камеры можно подключать к компьютерам через SCSI карту или непосредственно через видео выход. Видеокамеры могут быть оснащены программным обеспечением для архивирования, хранения и анализа. Vision Engineering предлагает ряд программного обеспечения для архивирования и анализа. Рис. 10.31. Видеокамера, установленная на стереомикроскопе Поляроид и 35 мм зеркальные камеры. Моментальные камеры Поляроид дают удобство фиксирования объектов. Камеры Поляроид легко устанавливаются на любую оптическую головку фирмы Vision Engineering. Большинство 35 мм зеркальных камер дают изображения с высоким разрешением и позволяют высокую степень настройки диафрагмы, скорости затвора и т.д. Большинство существующих 35 мм зеркальных камер может быть соединено с устройствами фирмы Vision Engineering. Рис. 10.32. Моментальная камера установлена на стереомикроскопе 204 10.5.1.7. Расширенные окуляры ISIS ISIS является новым аксессуаром для окулярных микроскопов, который был разработан для улучшения характеристик обычных бинокулярных микроскопов. ISIS может быть установлен на широкий спектр качественных микроскопов. Запатентованный аксессуар ISIS использует технологию расширенных окуляров (РО) фирмы Vision Engineering и просто устанавливается на место традиционных окуляров моно, обычных, исследовательских и стереомикроскопов. Рис. 10.33. ISIS Расширенные Окуляры Рис. 10.34. Бинокулярная оптическая головка совместно с окуляром ISIS дает выходное изображение в двенадцать раз большее, чем обычные окуляры, обеспечивая значительно большую свободу движениям головы, уменьшая усталость и дополнительно увеличивая расстояние между глазами пользователя и окулярами в четыре раза. Рис. 10.35. Принцип работы расширенных окуляров 205 Изображение в расширенных окулярах генерируется парой малогабаритных многогранных передаточных дисков (лентикулярных дисков); один диск диаметром 83 мм для каждого окуляра. Их поверхности содержат более двух миллионов отдельных лентикуляров (линз) и вращаются с высокой скоростью для того, чтобы объединить миллионы отдельных оптических путей в четкое изображение без аберраций. Обычные окуляры имеют узкий выход, поэтому пользователям необходимо с высокой точностью совмещать глаза с центрами каждого окуляра. Рис. 10.36. Принцип работы обычных окулярных микроскопов Обычно небольшое движение глаза приводит к потере части поля зрения, так как зрачок выходит за пределы узкого окуляра. Рис. 10.37. Потеря части поля зрения – зрачок выходит за пределы узкого окуляра ISIS исключает необходимость для пользователей точно совмещать глаза с центрами каждого окуляра. Расширенный выход ISIS означает, что пользователи могут просто перемещать глаза, чтобы увидеть всю площадь изображения, так как зрачок остается в пределах в 12 раз большего выходного изображения, генерируемого ISIS. Рис. 10.38. Нет потерь поля зрения – зрачок не выходит за пределы узкого окуляра Практическое назначение ISIS включает в себя более эффективное и легкое использование качественных микроскопов для любого применения. В частности для пользователей, работающих с высоким увеличением, технология расширенных окуляров ISIS дает более комфортный обзор удаленных от центра оптического поля деталей. 206 Рис. 10.39. Обычный окулярный микроскоп в работе Рис. 10.40. ISIS окулярный микроскоп в работе ISIS также позволяет избежать “плавунов” (mouches volantes) в глазах. Этот распространенный неопасный недостаток зрения вызван плаванием крошечных фрагментов ткани в жидкости глазного яблока и может быть существенной помехой при работе на микроскопе. Опять же, технология расширенных окуляров фирмы Vision Engineering, воплощенная в ISIS, дает более четкое, с более широким полем изображение, в котором отсутствуют искажения от этих фрагментов. В сердце технологии расширенных окуляров лежит лентикулярный диск, объединяющий множество линз, которые действуют как независимые формирующие изображение поверхности с диаметром несколько микрон каждая. В системе Lynx летикулярный диск диаметром 148 мм содержит более 3,5 миллионов лентикуляров (линз) каждая размером 70 микрон. Диск вращается со скоростью 3400 об/мин, образуя миллионы индивидуальных оптических путей, дающих однородное увеличенное стерео изображение с фокусом большой глубины и большим полем зрения. Рис. 10.41. Схема асферического лентикулярного диска Лентикулярный диск расширяет оптический выход системы. Результирующее изображение отображается через поле линз в глаза оператора. После этого изображение с 207 высоким разрешением проецируется на большой площади для максимального комфорта наблюдения. Рис. 10.42. Оптические параметры Операторы часто переводят взгляд с увеличенного изображения объекта на реальный объект (особенно при манипуляциях с деталями), большое расстояние до видимого увеличенного изображения исключает необходимость рефокусировки глаз каждый раз – ощутимое преимущество в уменьшении напряжения и усталости. Дополнительно, проецируемое изображение по сравнению с окулярами дает значительно большую свободу оператору и позволяет работать в очках. Операторы, которым необходимо для чтения использовать очки и снимать их для работы на микроскопе, должны при этом перефокусироваться на различные расстояния, что приведет к быстрой усталости глаз. Операторам с астигматизмом еще хуже: снятие очков незамедлительно ухудшает их зрение. Существенные эргономические преимущества способствуют повышению производительности и уменьшению отходов, так как оператору легче контролировать, и он может работать дольше без накапливаемой усталости. Базовое увеличение РО микроскопов достигается путем использования современных линз и корректирующей внутренней оптики, с применением системы с параллельным афокальным трансфокатором. Преимущества бесконечного фокуса с усовершенствованной технологией увеличивают оптическую и световую эффективность, которые в свою очередь дают значительно большую четкость и яркость изображения. Рис. 10.43. Оптическая схема Расширенных Окуляров 208 10.5.1.8. Системы визуального контроля качества пайки корпусов BGA ERSASCOPE Рис. 10.44. Система визуального контроля качества пайки корпусов BGA ERSASCOPE Система визуального контроля ERSASCOPE разработана для инспекции качества пайки компонентов со скрытыми выводами, таких как BGA, μBGA. С помощью микроэндоскопа ERSASCOPE и ПЗС камеры, соединенных с платой видеозахвата, установленной в персональном компьютере, система позволяет получить изображения паяных соединений на экране монитора с увеличением выше 300 крат. Минимальное расстояние между корпусом компонента и ПП, при котором возможна инспекция, – 0,05 мм. Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с системой, позволяет производить архивировать изображений, дополненных комментариями и графическими элементами. База данных дефектов паяных соединений позволяет быстро установить место возникновения дефектов в производственном процессе и принять превентивные меры. Помимо контроля компонентов со скрытыми выводами, система, оснащенная микроэндоскопом MAGNISCOPE, который устанавливается вместо микроэндоскопа ERSASCOPE, может осуществлять визуальный контроль обычных радиальных компонентов и ПМИ, трафаретов, нанесенной паяльной пасты, металлизированных отверстий и т.д. Система освещена оптоволоконным световодом для обеспечения холодного освещения в области инспекции. Контроль качества пайки BGA. До сих пор рентгеновский контроль был единственным методом неразрушающего контроля качества пайки BGA. Анализ рентгеновских снимков, производимых в проекции корпуса BGA на ПП, позволяет выявлять широкий спектр типовых дефектов, могущих образоваться в ходе пайки, например: межвыводные перемычки, смещения, пустоты. Вместе с тем, рентген неэффективен для обнаружения “холодных паек”, микротрещин между выводами BGA и контактными площадками и еще ряда дефектов. Например: поскольку силами поверхностного натяжения уже на начальной фазе пайки сферические выводы PBGA (или CSP) самоцентрируются по контактным площадкам, то рентгеновская проекция “холодной пайки” может выглядеть практически безукоризненно! Наконец, рентгеновское оборудование слишком дорого, чтобы стать широко доступным инструментом для повседневного контроля качества. К методам неразрушающего контроля изделий с BGA традиционно относится и функциональное тестирование. Увы, функциональный тест “холодной пайки” может выполняться с тем же успешным результатом, что и для надежного паяного соединения: электрический контакт выводов BGA с проводниками на ПП имеет место в обоих случаях, хотя в первом он и недолговечен. Таким образом, основываясь на результатах даже двух типов неразрушающих тестов – функционального и рентгеновского, – сложно сделать вывод о качестве пайки в смысле ее долговременной прочности. 209 Рис. 10.45. Контроль качества пайки В классе методов разрушающего контроля применяются два: исследование внутренней структуры выводов BGA после пайки (в срезе) под электронным микроскопом и механический тест на растяжение (отрыв). Структурный анализ имеет целью идентифицировать результат физико-химических процессов пайки в диффузионных слоях контактирующих металлов: ведь именно этими слоями определяется долговременная прочность паяного соединения. При “холодной пайке” тепла не хватает для образования достаточно глубоких диффузионных слоев, при избыточной же температуре пайки они становятся слишком глубокими и “рыхлыми”. В обоих случаях неправильный температурный профиль пайки влечет резкое уменьшение прочности паяного соединения. Тест на растяжение позволяет оценить прочность пайки как интегрального показателя качества. Если технология пайки была соблюдена безупречно, то паяное соединение между выводом BGA и контактной площадкой оказывается прочнее соединения контактной площадки с ПП и, как следствие, при выполнении теста происходит обрыв контактной площадки, а не вывода BGA. Очевидно, методы разрушающего контроля используются лишь на ограниченной выборке изделий и имеют экономически обусловленный предел. Вывод: необходимым и эффективным дополнением к методам неразрушающего контроля пайки BGA является визуальная (оптическая) инспекция. Этот принципиальный тезис побудил фирму ERSA к разработке первой в мире системы контроля, обеспечивающей возможность визуальной инспекции паяных выводов под корпусом компонента. Система ERSASCOPE-3000 значительно дешевле рентгеновских средств контроля, безопасна, компактна и проста в использовании. Применение ERSASCOPE3000 может помочь там, где рентгеновский контроль бессилен, а систематическое применение разрушающих методов невозможно по экономическим соображениям. На чем же, по мнению специалистов ERSA, базируется возможность визуального контроля качества пайки BGA? Идейная основа ERSASCOPE. При корректном соблюдении технологии пайки все выводы BGA трансформируются в следующем порядке. Состояние A. Перед началом процесса пайки сферические выводы BGA (Sn63Pb37) позиционированы по контактным площадкам ПП. Нижняя плоскость корпуса BGA параллельна ПП (в конкретном примере на Рис. 10.47 она отстоит от ПП на высоту 1,0 мм; для разных корпусов высота, очевидно, различна). Форма выводов BGA – правильная сферическая, поверхность гладкая, слегка матовая. 210 Рис. 10.46. Трансформация пайки (оседание) Рис. 10.47. Фаза А процесса пайки и состояние выводов BGA Состояние B. Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183°C. Под действием сил гравитации происходит первичное “оседание” BGA (Рис. 10.48): расстояние между корпусом и ПП сокращается до 0,8 мм, форма выводов становится бочкообразной, а поверхность выводов тускнеет, оставаясь гладкой. Рис. 10.48. Фаза В процесса пайки и состояние выводов BGA Состояние C. По достижении пиковой температуры пайки происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок ПП припоем. Происходит вторичное “оседание” BGA (Рис. 10.49): высота выводов еще раз уменьшается (в примере до 0,5 мм), результирующая форма выводов, поддерживаемая силами поверхностного натяжения, – сплющенная эллиптическая. Поверхность выводов – гладкая блестящая (Рис. 10.52). 211 Рис. 10.49. Фаза С процесса пайки и состояние выводов BGA Важнейшими признаками при оценке качества паяного соединения являются: • количество припоя в зоне паяного соединения; • форма галтели (соответствие технологическим стандартам); • состояние поверхности выводов (текстура, однородность, гладкость, цвет, блеск); • аномалии (например, остатки флюса). Все признаки важны для контроля качества пайки, но именно состояние поверхности выводов дает наибольшую информацию о механической прочности соединения, ибо помогает сделать заключение об условиях формирования интерметаллического диффузионного слоя в процессе пайки. Визуально различимы • неоднородная или пористая поверхность выводов, царапины; • деформация формы (асимметричность, впадины и выпуклости, искривления); • микротрещины; • изменения цвета; • микрокапли и брызги припоя; • остатки флюса; • посторонние включения (шлак/окалина). Идея ERSASCOPE-3000 проста: заглянув под корпус BGA, проконтролировать правильность итоговой формы выводов, копланарность и отсутствие перемычек. У выводов, ближайших к граням корпуса BGA, следует рассмотреть также поверхность. Удается проанализировать и мениски, если при пайке была использована паяльная паста (это касается, прежде всего, керамических BGA). На данной нехитрой идее с мощным техническим воплощением и базируется ERSASCOPE-3000. Рис. 10.50. Штатив с оптикой ERSASCOPE Как устроен ERSASCOPE? Система ERSASCOPE-3000 (Рис. 10.50) включает оптическую часть на штативе и компьютерную часть с устройством отображения. ПП закрепляется в штативе так, что перемещаемые вручную элементы оптической системы с 212 высоким разрешением «охватывают» корпус BGA (Рис. 10.51). С одной стороны корпуса располагается мощный (150 Вт) миниатюрный источник света с волоконной оптикой, с противоположной стороны — головка оптического приемника с регулируемым фокусным расстоянием (0-55 мм). Минимальный зазор между корпусом BGA и ПП, при котором система работает устойчиво, составляет всего 0,05 мм. Максимальные линейные размеры корпуса BGA, для которых мощность подсветки достаточна, – 50 мм. Изображение с приемной оптической головки передается в компьютер для обработки и на монитор (с увеличением до 350 раз) для человеко-машинного анализа. Отпускная цена системы такова, что для многих западных производств (а в перспективе – и некоторых российских) она является весьма разумной с учетом открывающихся возможностей массового выходного контроля изделий, содержащих BGA. Рис. 10.51. Рабочее положение оптических элементов Применения ERSASCOPE. Следует отметить, что оптическая инспекция качества пайки может быть применена не только в отношении корпусов BGA и им подобных, но также для корпусов PLCC с J-образными выводами и QFP (с внутренней стороны через просвет между корпусом и линейкой выводов). В модификации MAGNISCOPE подвижная оптическая головка с подсветкой позволяет анализировать миниатюрные объекты сверху или под любым углом до 180° при увеличении их с кратностью до 350 с отображением на мониторе. Измерение, архивирование, документирование и другие прелести компьютерной обработки обеспечиваются программным пакетом ImageDoc. Примеры областей применения ERSASCOPE и объектов анализа: • точность установки компонентов перед пайкой; • качество пайки BGA и других SMD-компонентов; • качество (доза и форма) нанесения паяльной пасты; • качество трафарета; • качество металлизации отверстий на ПП; • целостность защитного покрытия ПП; • качество микросварки; • применения в других отраслях (например, техническая эндоскопия металлоизделий). На основе кадров (Рис. 10.52 – Рис. 10.56) можно получить начальное представление о типе изображений, анализируемых менеджером по контролю качества при использовании системы ERSASCOPE-3000 в полноэкранном варианте на высококачественном мониторе. 213 Рис. 10.52. Вывод BGA в результате правильной пайки (состояние С) Рис. 10.53. Тест на растяжение: отрыв контактной площадки Рис. 10.54. Тест на растяжение: отрыв вывода BGA от контактной площадки Рис. 10.55. Вывод BGA в результате "холодной пайки" (состояние В) Рис. 10.56. Неполное оплавление паяльной пасты 214 10.5.2. Визуальный контроль и бесконтактные измерения 10.5.2.1. Система бесконтактных 2-х осевых измерений Kestrel Kestrel – система бесконтактных 2-х осевых измерений с высоким разрешением на основе запатентованной технологии оптического проецирования фирмы Vision Engineering. Kestrel – это первая бесконтактная измерительная система, объединяющая точность качественного лабораторного контроля, повторяемость и оптическое качество с поточной скоростью и легкостью использования в одной недорогой системе. Оптика с высоким разрешением дает великолепно четкие изображения нечетких, темных и сложных поверхностей с освещением от 2х30 Вт полукоаксиально смонтированных спотламп и 30 Вт вертикально выровненного освещения снизу платформы. Возможно быстросменное увеличение 10х; 20х и 50х (20х установлено в стандартной поставке). Точные измерения с быстрыми перемещениями достигаются благодаря 3-плитной алюминиевой платформе с высокими характеристиками, позволяющей производить измерения на площади 150х100 мм с точностью платформы 1 мкм/10 мм и повторяемостью системы 4 мкм. Платформа смонтирована на шарнирах и настраивается для гарантирования параллельности между оптической головкой и плоскостью платформы. При изготовлении платформа калибруется для устранения нелинейной ошибки, что гарантирует оптимальную точность и контролепригодность в соответствии с требованиями стандартов Национальной Физической Лаборатории (NPL/NAMAS) для ИСО9000. Kestrel поставляется с многофункциональным микропроцессором QC200, дающим представление результатов измерений по осям X, Y в цифровой и графической формах. Результаты могут быть распечатаны через параллельный порт принтера. Kestrel может быть также подключен к внешним устройствам, таким как цифровая камера или видео/CCTV и был разработан для получения лучших оптических характеристик, точности, повторяемости, скорости и эргономичности при привлекательной цене. Рис. 10.57. Kestrel с многофункциональным микропроцессором QC200 Многофункциональный микропроцессор QC200 представляет результаты измерений по осям X, Y в цифровой и графической формах. Установка имеет полную калибровку нелинейной ошибки по всей измерительной платформе, результаты которой хранятся в микропроцессоре. Калибровка контролепригодна в соответствии с требованиями стандартов Национальной Физической Лаборатории (NPL/NAMAS) для ИСО9000. 215 Рис. 10.58. Многофункциональный микропроцессор QC200 Метрологическое программное обеспечение. Metronics является первым в мире разработчиком метрологического программного обеспечения и цифровых пультов управления для 2-х и 3-х осевых измерений и контроля и является стандартным управляющим интерфейсом на устройствах для прецизионных измерений фирмы Vision Engineering. Quadra-Check Цифровой пульт управления. Quadra-Check цифровой пульт управления предназначен для отраслей промышленности, которые нуждаются в прецизионных измерениях и контроле по 2-м и 3-м осям. Пульт имеет интуитивный и простой пользовательский интерфейс, выразительный наглядный дисплей. Его конструкция отражает глубокое понимание потребностей пользователя. Цифровые пульты управления Metronics являются лидерами в промышленности прецизионного контроля и имеют нововведения, которые улучшают производительность оператора, уменьшают количество ошибок и сохраняют время и деньги. Рис. 10.59. Цифровой пульт управления QC100 Цифровой пульт управления. Гибкий, компактный и прецизионный цифровой пульт управления для измерений по одной – трем осям. Цифровой пульт идеален для измерения угловых или линейных размеров. Рис. 10.60. Прецизионный цифровой пульт управления QC100 Геометрический пульт управления. Оригинальный цифровой пульт управления с удобным новым интерфейсом и эргономичным дизайном. Сберегающий время измерительный инструмент с запатентованной технологией Measure Magic®. Идеален для измерений по 2-м осям. Характеристики платформы: • 150х100 мм платформа с датчиком положения 1 мкм для микропроцессора QC200; • Точность платформы: 1 мкм/10 мм; • Оборудование нивелирования платформы для оптимальной плоскостной точности 216 Рис. 10.61. Геометрический пульт управления Цифровая или видео камеры могут быть легко установлены на Kestrel с помощью дополнительного универсального кронштейна. Изображение объекта может одновременно наблюдаться оптически через оптическую головку и в цифровом виде через камеру. Рис. 10.62 Цифровая камера 10.5.2.2. Система бесконтактных 2-х и 3-х осевых измерений Hawk Необходимым условием точного измерения является получение высококачественного изображения. Система бесконтактных измерений по 2-м и 3-м осям Hawk позволяет проводить измерения с высокой точностью и высокой повторяемостью для изделий из различных материалов. Система построена по модульному принципу и отвечает широкому спектру требований. Рис. 10.63. Hawk – двухосевой бесконтактный измерительный микроскоп Точное измерение сложных компонентов достигнуто за счёт высокой контрастности и разрешения оптического изображения. Высокое качество первичного оптического изображения позволяет за короткое время проводить измерения на различных по виду обработки поверхностях. Самые сложные измерения могут быть произведены с высокой степенью достоверности. Варианты исполнения измерительного стола включают высокопрецизионный стол с ходом винтов 150х150 мм и стол с ходом винтов 200х150 мм. Для обеспечения точности и устранения влияния нелинейных ошибок все измерительные столы калибруются в соответствии со стандартами NPL/NAMAS по требованию ИСО9000. Комбинированный мультифункциональный микропроцессор QC200 (см. Рис. 10.58) обеспечивает легкое представление измерений в цифровой и графической формах. Результаты измерений можно так же вывести на печать через параллельный порт. Для расширенной обработки данных и возможности работы с системами САПР, в качестве опции, возможна поставка метрологического программного обеспечения QC5000. Также возможна комплектация системы моторизованным измерительным столом или построение полностью автоматизированной системы бесконтактных измерений. На 217 систему Hawk могут быть установлены внешние аксессуары для подключения цифрового или пленочного фотоаппарата, видео камеры. Дополнительное оборудование Измерительные столы. • • • • • • Рис. 10.64. Измерительный стол 150х150мм Измерительный стол 150х150 мм; Разрешение: 1 мкм; Точность: 5 мкм; Повторяемость: 3 мкм; Воспроизводимость: 6 мкм; Движение оси Z: 250 мм. Рис. 10.65 Измерительный стол 200х150 мм • • • • • • Измерительный стол 200х150 мм; Разрешение: 0.5 мкм; Точность: 2 мкм; Повторяемость: 2 мкм; Воспроизводимость: 3 мкм; Движение оси Z: 250 мм. Рис. 10.66 Измерительный стол 300х225 мм • • • • • • Измерительный стол: 300х225 мм (измерительный стол большого размера); Разрешение: 2 мкм; Точность: 30 мкм; Повторяемость: 10 мкм; Воспроизводимость: 10 мкм; Движение оси Z: 90 мм (базовая конфигурация) (возможность увеличения до 390 мм). 218 Моторизированный измерительный стол. Обеспечивает перемещение по осям X, Y и Z в полуавтоматическом режиме. Программное обеспечение QC5000 может автоматизировать предварительное позиционирование стола с последующей точной настройкой положения и фокуса оператором. Рис. 10.67. Моторизированный измерительный стол Полностью автоматизированный стол. Моторизованный стол, дополненный функцией автоматического наведения на фокус (обнаружение края), позволяет проводить полностью автоматизированные измерения по трём осям. Рис. 10.68. Полностью автоматизированный стол Обработка данных микропроцессором QC200. Обработка данных может производиться многофункциональным микропроцессором QC200. В систему обработки и представления данных QC200 входит компактный мультифункциональный микропроцессор с большим дисплеем, простым интерфейсом, способным отображать результаты измерений по 2-м и 3-м осям. Простота и надёжность делают систему QC200 идеальной для использования на производстве: • отдельностоящая удобная система; • наличие функции коррекции нелинейных ошибок (NLEC); • 2-х осевые измерения: – точка, окружность, угол, линия, дуга, расстояние; • параллельный порт / RS-232. Рис. 10.69. QC200 Освещение. Кольцевой 6-ти точечный оптоволоконный осветитель (стандартная поставка) – универсальное освещение поверхности, используемое там, где особенности поверхности могут вызвать появление теней. Шесть точек гарантируют равномерное изотропное облучение объекта. Освещение через оптоволоконный кабель от удалённого источника обеспечивает холодный свет без нагрева объекта. 219 Рис. 10.70. Кольцевой 6-ти точечный оптоволоконный осветитель Спот осветитель. Простое, недорогое решение с использованием двух галогеновых ламп, закреплённых рядом с объективом. Используется для неотражающих объектов, не требующих холодного освещения. Рис. 10.71. Спот осветитель Эпископическое освещение (освещение сквозь объектив). Эпископическое освещение проецирует световой поток через объектив, параллельно оптическому пути, проходимому изображением объекта. Такое освещение используется для освещения глухих отверстий или при большом увеличении для плоских отражающих объектов. Рис. 10.72. Эпископическое освещение 220 11. Автоматическая оптическая инспекция 11.1. Введение В последнее десятилетие электрическое тестирование в виде внутрисхемного контроля было доминирующим методом для определения качества печатных узлов в крупносерийном производстве. Однако миниатюризация компонентов, увеличение плотности монтажа и переход на технологию двусторонней пайки оплавлением значительно осложнили применение этой технологии. Потеря в значительной степени доступа к печатному узлу для электрического контактирования явилась мощным толчком для развития автоматической оптической инспекции как бесконтактной альтернативы внутрисхемному тестированию. Как только АОИ стала общепринятой заменой внутрисхемному контролю, стало ясно, что она несет в себе и другие существенные преимущества. Компоненты малых размеров, такие как 0201 или даже 01005 и выводы QFP с шагом 0,3 мм едва различимы невооруженным глазом, а уж о детальном контроле их паяных соединений не может быть и речи. Визуальный контроль оператором потерял жизненные перспективы. Даже если он возможен, визуальный контроль часто не отражает объективного состояния печатного узла. Известно, что после двух часов работы способность контролера к концентрации уменьшается в два раза по сравнению с первоначальной. Влияние внешних факторов – повышенная температура, шум могут уменьшить оставшуюся концентрацию еще на 40%. Системы АОИ снимают эти ограничения. Кроме этого применение систем АОИ исключает необходимость изготовления дорогостоящих адаптеров, требуемых при внутрисхемном контроле. Благодаря этим заметным преимуществам автоматическая оптическая инспекция из просто желаемой стала практической необходимостью. Для многих сборочных линий системы АОИ являются идеальным решением по сравнению с визуальной инспекцией и внутрисхемным контролем. Качественные компоненты плюс качественная сборка практически всегда означают хорошее качество печатных узлов. АОИ предоставляет возможность высокопроизводительного и тщательного контроля печатных узлов и обеспечения их качества. На сегодняшний день во всем мире эффективно используются тысячи систем АОИ. 11.2. Место системы АОИ в линии поверхностного монтажа Системы АОИ могут устанавливаться в линию поверхностного монтажа после автомата трафаретной печати, после автоматов установки компонентов и после печи оплавления. Система АОИ, установленная после операции нанесения пасты, обнаруживает следующие виды дефектов: • недостаток/избыток пасты на контактных площадках; • смещение пасты относительно контактных площадок; • перемычки; • смазывание пасты. Система АОИ, установленная после операции установки компонентов, обнаруживает следующие виды дефектов: • отсутствие компонента; • линейное и/или угловое смещение компонента; • неправильная полярность компонента; • переворот резистора; 221 • неправильный номинал компонента (надпись на корпусе компонента). Будучи установленной после печи оплавления, система АОИ может определить все виды дефектов, известные в поверхностном монтаже: • отсутствие компонента; • линейное и/или угловое смещение компонента; • неправильная полярность компонента; • переворот резистора; • неправильный номинал компонента (надпись на корпусе компонента). • недостаток/избыток припоя; • неправильное формирование галтели; • Billboard (компонент на ребре); • Tombstone (эффект могильного камня); • приподнятый вывод микросхемы. Системы АОИ, установленные после операции трафаретной печати и установки компонентов, реализуют метод контроля, направленный на предупреждение возникновения дефектов. Системы АОИ, установленные после пайки оплавлением, констатируют наличие дефектов. Какой метод контроля предпочесть? Идеальным вариантом является, конечно, наличие систем АОИ на каждом из этапов технологического процесса. Ведь своевременное предупреждение дефектов гораздо дешевле, чем их устранение на последующих этапах. Однако это означает серьезные инвестиции, к которым большинство производств не готово. В случае если речь идет только об одной системе АОИ, то, очевидно, следует предпочесть систему, устанавливаемую после печи оплавления. Такая система АОИ представляет собой не только средство для обнаружения дефектов, но и инструмент для оценки стабильности всего технологического процесса изготовления печатных узлов. Имея информацию об обнаруженных дефектах, можно поставить им в соответствие технологическую операцию, которая «виновна» в их возникновении. Например, недостаток припоя связан с операцией трафаретной печати, отсутствие компонента, переворот резистора связаны с операцией установки компонентов и т.д. Таким образом можно своевременно распознавать негативные тренды в технологическом процессе и принимать корректирующие воздействия. 11.3. Классификация систем АОИ 11.3.1. Системы АОИ сканерного типа Системы сканерного типа представляют собой простейшие системы АОИ. Принцип их действия состоит в простом сканировании печатного узла с последующей обработкой полученного изображения. Из-за особенностей оптических систем установок этого типа они имеют ряд существенных недостатков: • параллакс, из-за чего изображение краев печатных узлов может искажаться; • фиксированный фокус и малая глубина резкости, из-за чего может оказаться проблематичным распознавание относительно высоких объектов; • обработка одновременно очень большого объема информации, что резко снижает производительность системы. Системы этого типа обеспечивают достоверный контроль только плоских объектов небольшой высоты, например столбиков паяльной пасты. Достоверный контроль паяных соединений проблематичен. 222 11.3.2. Системы АОИ с камерами Системы АОИ с камерами отличает практическое отсутствие параллакса из-за уменьшения области инспектирования. Кроме того, благодаря этому же уменьшается объем одновременно обрабатываемой информации, что повышает производительность систем такого типа. При необходимости определенные участки печатного узла могут сниматься с различным разрешением и глубиной резкости. Все это делает системы такого типа пригодными для контроля паяных соединений. Различают системы АОИ с одной камерой и с несколькими камерами. Системы АОИ с одной камерой реализуют 2D-контроль. Для систем с одной камерой нет необходимости в компенсации прогиба печатного узла, т.к. оптическая ось камеры перпендикулярна плоскости печатного узла. Недостатком систем данного типа является сложность контроля с их помощью приподнятых компонентов и выводов микросхем (см. рис.11.1). Рис. 11.1 Приподнятый компонент с верхней и угловых камер С помощью систем АОИ с несколькими камерами возможен 3D-контроль. Как правило, системы такого типа оборудованы пятью камерами, одна из которых «смотрит» на печатный узел сверху, а четыре оставшихся наклонены к плоскости печатного узла и расположены по всем четырем сторонам. Для таких систем очень важно компенсировать прогиб печатного узла. В противном случае, особенно при большом увеличении, даже незначительный прогиб может привести к тому, что с угловых камер будут контролироваться области, не совпадающие с реальным положением паяных соединений. А это вызовет большое количество ложных срабатываний и пропуски реальных дефектов. Компенсация прогиба может быть проведена только после измерения реальной высоты, на которой находится печатный узел. В результате измерения система определяет высоту, на которой находится, например, точка, близкая к продольной оси симметрии печатного узла. А затем применяется, например, параболическая модель для расчета высоты точек от оси симметрии до краев печатного узла, зафиксированного в конвейере. Существуют и другие способы реализации компенсации прогиба, например, измерение высоты каждого тестового окна в отдельности. Этот способ более точный, однако сопряжен с дополнительными затратами времени. Какая видеосистема предпочтительна – монохромная или цветная? Видеосистема должна предоставлять для обработки изображение, в котором подчеркиваются отличительные особенности бездефектного паяного соединения по отношению к дефектному и обеспечивается максимальное отношение полезный сигнал/шум. Для этого информации, поставляемой монохромной видеосистемой вполне достаточно. При использовании монохромных систем освещения и камер обеспечивается спектральная чистота, что позволяет легко выделить и проанализировать индикативные признаки паяного соединения. Цветные системы поставляют значительно больше информации, значительная часть которой избыточна. Однако эта информация должна быть обработана и проанализирована, что означает дополнительные затраты времени. Цветная видеосистема может явиться источником дополнительных проблем. Классический пример 223 – ложные срабатывания при изменении цвета резисторов. Но он не единственный. Изменение цвета паяльной маски платы не влияет на работоспособность печатного узла, однако является обычной вариацией процесса изготовления плат. Цветные видеосистемы весьма чувствительны к изменению цвета, что приводит к появлению ложных срабатываний. Итак, монохромная видеосистема удовлетворяет всем требованиям для контроля паяных соединений, обеспечивая более высокую повторяемость и являясь менее чувствительной к вариациям процесса. Для контроля современной элементной базы – микросхем с шагом до 0,3мм и чипкомпонентов типоразмером 0201 необходимо оптические системы с разрешение 20 -30 микрон на пиксель. Системы АОИ с камерами могут быть с подвижной оптической головкой или с подвижным адаптером и неподвижной оптической головкой. Недостатком системы с подвижной оптической головкой является сложная и трудоемкая процедура калибровки оптической головки. Недостатком системы с подвижным адаптером является опасность смещения компонентов в случае контроля плат перед пайкой под действием сил инерции при перемещении адаптера, а также вибрация печатного узла. Поэтому перед началом контроля в системах такого типа должна быть предусмотрена задержка для успокоения печатного узла. Еще одним важным элементом является система освещения. При контроле паяного соединения не достаточно просто обеспечить освещение обычным способом. Освещение должно выделить и подчеркнуть наиболее характерные участки паяного соединения, для того чтобы система смогла, оценив эти участки, отличить дефектное паяное соединение от бездефектного. Система освещения должна обеспечивать подсветку паяного соединения с требуемой интенсивностью со всех направлений по отношению к камерам. В качестве элементов систем освещения в современных установках АОИ используются ксеноновые вспышки, люминесцентные лампы и светодиоды. В качестве примера приведем конструкцию оптической головки систем АОИ фирмы Orbotech Symbion S36 и Vantage S22. Системы АОИ Symbion S36 и Vantage S22 имеют пять камер – одну верхнюю камеру, оптическая ось которой перпендикулярна плоскости печатного узла, и четыре наклонных камеры, расположенных с четырех сторон (см. рис.11.2). Верхняя камера – цифровая камера высокого разрешения в 4 мегапикселя. Рис. 11.2 Конфигурация оптической головки Система освещения состоит из 24 ксеноновых вспышек, расположенных на нескольких уровнях, что позволяет создать световые потоки параллельно плоскости платы, наклонно к плоскости платы, сверху на плату и рассеянный свет (см. рис.11.3). Благодаря такому расположению вспышек паяное соединение может быть освещено с 18 направлений. 224 Рис. 11.3 Конфигурация системы освещения Подобный способ освещения позволяет при контроле паяных соединений выбрать направление осмотра, с которого дефект проявляется наиболее отчетливо, и осветить паяное соединение с нужного направления, подобно тому, как это делается контролером при визуальном контроле. Выбор направления осмотра и освещения каждого паяного соединения производится системой автоматически. Например, для контроля приподнятого вывода микросхемы – одного из самых трудных в обнаружении дефектов, система использует пять различных алгоритмов, отличающихся задействованием различных камер и вспышек. 11.4. Способы обнаружения и классификации дефектов 11.4.1. “Золотая плата” (“golden board”) Это давно появившаяся и все еще широко используемая технология инспекции ПУ. В этой технологии эталонное изображение – это идеальный или “золотой” компонент. Полученное изображение компонента сравнивается с эталонным изображением путем поточечного вычитания полученного изображения из эталонного. Если компонент в полученном изображении идеален, то разность между двумя изображениями будет равна нулю. Реализация этого алгоритма требует точного определения местоположения компонента перед вычитанием. Один из недостатков данного подхода – это непостоянство внешнего вида компонента и самой ПП. Несмотря на видимое сходство между полученными и эталонными изображениями, из-за весьма незначительных различий в изображении, полученном при вычитании, существует множество ненулевых элементов. Для преодоления этого в технологию золотой платы были введены области безразличного состояния и пороговые величины, которые определяют область допустимых значений. Эта технология обладает преимуществом простоты реализации и хорошими рабочими характеристиками, но могут потребоваться значительные усилия для определения порогов, которые бы позволили адекватно функционировать при непостоянстве, присущем материалам ПУ. На практике это означает весьма большое количество ложных срабатываний. 225 11.4.2. Измерение пороговых значений Будучи наиболее широко используемой технологией обнаружения дефектов из применяющихся в системах АОИ, данная технология основана на распознавании контура компонента. Разработка данного метода отчасти производилась из-за сложностей, связанных с технологией золотой платы. Принятое допущение заключалось в том, что определение контуров компонента и базирование инспекции на характеристиках контуров и их отношениях может устранить трудности, вызываемые непостоянством внешнего вида компонентов. Путем извлечения контуров компонента из изображения варьированием цвета и структуры поверхности можно пренебречь. Идея, лежащая в основе технологии измерения порогов, заключается в том, что набор линий с повторяющимся соотношением является хорошим индикатором правильности установки компонента. Когда линии, для которых обычно имеется стабильное соотношение, не обладают им, тогда, вероятно, имеется дефект. Основное соотношение между линиями – это расстояние. Технология измерения порогов понятна и проста во внедрении и не имеет некоторых основных недостатков принципа “золотой платы”. Однако применение данной технологии затруднительно в случае сильной рельефности поверхности (например, галтелей припоя) или когда контраст между ПП и компонентом очень мал, что может привести к слабовыраженным границам на изображении. Данный метод с успехом применяется для определения наличия/отсутствия компонента и позиционирования компонента. Однако гораздо в меньшей степени пригоден для оценки качества паяных соединений. 11.4.3. Стандартное сравнение с шаблоном и статистическое сравнение с шаблоном Из-за недостатков двух первых методов в новейших системах АОИ применяются более сложные технологии. Два из этих подходов – сравнение с шаблоном и статистическое сравнение с шаблоном, – имеют различную реализацию, но схожие характеристики. Обе технологии основаны на извлечении контуров из одного или нескольких эталонных изображений компонента (или из информации о геометрии компонента) и используют эти контуры для создания модели компонента. Контур разбивается на множество сегментов, и в модели определяются и оцениваются отношения между сегментами. Таким образом, если одна или несколько границ не будут обнаружены, например, из-за низкой контрастности, то оставшиеся границы могут обеспечить достаточно информации для проведения сравнения с шаблоном. Следовательно, при стандартном сравнении с шаблоном сумма отклонений сегментов линий полученного изображения от эталонного (называемая степенью корреляции) определяет, достаточно ли полученное изображение близко к эталонному. При этом степень корреляции сравнивается с предварительно заданной пороговой величиной. Путем правильного выбора пороговой величины варьирование во многих различных областях может быть легко компенсировано. Технология статистического сравнения с шаблоном еще на один шаг продолжает данную идею. Ключевая разница между стандартным сравнением с шаблоном и статистическим сравнением с шаблоном заключается в том, что вместо одного стандартного отношения между граничными сегментами в эталонном шаблоне, в шаблонах, основанных на статистике, используется статистическое распределение отношения между граничными сегментами. Например, вместо хранения информации о расстоянии между двумя сегментами как 0,005 мм, при статистическом подходе хранится среднее расстояние 0,005 мм со среднеквадратическим отклонением 0,0007 мм. Когда разности между границами суммируются для определения итоговой степени корреляции, статистический подход может дать оценку того, попадает ли разность в допустимый диапазон или нет. Для этого расстояние умножается на весовой коэффициент среднеквадратического отклонения для данного сегмента. Таким образом, технология 226 статистического сравнения с шаблоном, может определить связь между полученным и эталонным изображением с большей достоверностью, потому что она основана на определении вероятности того, что компонент не имеет дефектов, исходя из соотношений границ. Преимущества технологий сравнения с шаблоном в том, что они собирают больше данных о структуре компонента и менее чувствительны к изменениям. Трудности, имеющиеся при этих подходах, состоят в том, что они могут потребовать значительного объема программирования для обеспечения нахождения наилучших параметров распознавания контура для каждого типа компонентов. Также может быть затруднительно найти согласованность между корреляционными функциями, которые вычисляют общий коэффициент совпадения. Статистический подход требует большего количества эталонных изображений для разработки точной модели. Интеллектуальные технологии 11.4.4. Последний класс технологий обнаружения дефектов, применяемых в АОИ, – это интеллектуальные технологии, которые для определения разницы между приемлемыми и дефектными компонентами используют методы искусственного интеллекта. Несмотря на то, что существует огромная разница между реализацией методов, используемых в системах АОИ на основе интеллектуальных технологий, имеется один общий момент. Методология, лежащая в основе данных систем, включает в себя стадию обучения и стадию работы. На стадии обучения интеллектуальная система АОИ снабжается набором эталонных плат, как с дефектами, так и без них. В результате строится модель, на основании которой в процессе работы система принимает решение хорошо-плохо. Одним из методов искусственного интеллекта является метод принятия решения на основе нейронной сети. Нейронная сеть представляется собой модель программирования, которая используется для моделирования процесса принятия решения на основе имеющихся данных. Это достигается путем создания связей и зависимостей между данными. Предположим, что для проверки наличия/отсутствия компонента используется пять различных алгоритмов. В результате выполнения каждого алгоритма выдается результат: 1, если дефект не обнаружен, и -1, если предполагается дефект. Каждый из алгоритмов имеет весовой коэффициент, вычисленный на этапе построения сети (этап обучения). Результат в каждом из узлов сети представляет собой сумму произведений результата в связанных узлах на предыдущем уровне на весовые коэффициенты (см. таблицу 11.1). Весовые коэффициенты на последующих уровнях вычисляются как среднее арифметическое весовых коэффициентов связанных узлов сети. Процесс повторяется до тех пор, пока не останется единственный узел, представляющий собой результат всех связанных узлов. Если результат положительный – дефекта нет, если отрицательный – имеется дефект. Численное значение результата представляет собой показатель того, насколько данный компонент «плохой» или «хороший». Таблица 11.1 Результат алгоритма û ü = -1 =1 ü û ü Применение весового коэффициента (1-й уровень) Применение весового коэффициента (2-й уровень) Применение весового коэффициента (3-й уровень) Применение весового коэффициента (4-й уровень) Результат 1 x 2.0 -1 x 2.5 1 x 2.0 1 x 1.0 -0.5 x 2.25 -0.5 x 2.25 3 x 1.5 -0.5 x 1.25 -2.25 x 2.0 5.625 x 2.5 3.875 x 2.0 9.563 x 2.063 21.812 x 1.625 55.172 227 ü û -1 x 1.5 ü +результат положительный, -результат отрицательный 11 2 .0 ?? 22 2 .5 2.25 ?? 33 1.5 1.875 1.875 ?? 1.5 1 .0 2.25 ?? ?? ?? ?? 55 ?? 2.25 2 .0 ?? 44 2.25 2.063 1.625 ? 1.375 1.25 1 .5 Рис. 11.4 Пример нейронной сети Преимущество данного подхода заключается в том, что в результате работы сети выдается однозначный результат. При статистическом подходе неизбежно появление области неопределенности, при попадании в которую система может неправильно классифицировать изображение. Представим себе распределение яркостей для дефектов и приемлемых случаев. При попадании измеренной яркости изображения в область, в которой перекрываются оба распределения, может произойти ложное срабатывание или, что гораздо хуже, может быть пропущен реальный дефект. 228 Частота попадания хорошо плохо ложные срабатывания пропуски Рис. 11.5 Статистический подход для определения дефектов Яркость Современные системы АОИ часто используют для обнаружения дефектов не один, а сразу несколько методов. Рассмотрим более подробно принцип работы системы АОИ фирмы Orbotech Symbion S36/Vantage S22. При создании программы печатный узел разбивается на определенное количество тестовых окон. Имея информацию о высоте компонентов, система рассчитывает возможные затенения и автоматически отключает вспышки, которые образуют тень, и камеры, изображение с которых затенено. Система делает снимок сразу всего тестового окна и анализирует компоненты, которые попали в его пределы. Рассмотрим последовательность тестирования чип-компонентов и микросхем. При тестировании чип-компонентов сначала проверяется наличие компонента. Если компонент отсутствует, дальнейшее тестирование этого компонента не производится. Если компонент обнаружен, система определяет его местоположение относительно контактных площадок и проверяет, допустимо ли найденное смещение. Если найденное смещение недопустимо, тестирование данного компонента заканчивается. Правильное определение местоположения компонента с учетом возможных смещений очень важно, поскольку при смещении компонента меняется и положение точек пайки. Без учета смещений контролировать паяные соединения бессмысленно. Затем чипкомпоненты проверяются на Tombstone, Billboard (компонент на ребре), чип-резисторы проверяются на переворот, проверяется полярность танталовых конденсаторов. После этого, если дефектов не обнаружено, производится контроль паяных соединений. Контролируется количество припоя и форма спая. Для анализа качества паяных соединений используется технология DPIX (Dimensional Picture Information eXtraction). Она заключается в том, что системой анализируется информация внутри областей поиска, автоматически устанавливаемых при проведении каждого теста. Размер поля поиска определяется в зависимости от размеров компонента, размеров контактной площадки и найденного положения компонента. При необходимости системой производится комбинирование изображений, полученных с различных камер. На рис.11.6 приведен пример алгоритма определения количества 229 припоя. Если уровень яркости в пределах поля поиска превышает заданную пороговую величину, система сигнализирует о предполагаемом дефекте. Рис. 11.6 Алгоритм определения количества припоя При тестировании микросхем система сначала проводит тест на наличие/отсутствие. Затем определяется точное местоположение микросхемы. На рис. 11.7 синими крестиками указываются окончания выводов микросхемы при отсутствии смещения (позиция, заданная CAD-файлом), зеленые крестики показывают найденные системой окончания выводов – места, где будут контролироваться паяные соединения. Рис. 11.7 Определение местоположения микросхемы 230 После этого контролируется полярность. В зависимости от типа метки полярности (скос, скошенный угол, углубление и т.д.) выбирается необходимый алгоритм поиска. Рис. 11.8 Контроль полярности микросхемы Если углубление присутствует, в пределах поля поиска будут найдены точки с повышенной яркостью. В противном случае будет выдано сообщение об ошибке. Следующий этап – контроль паяных соединений: контролируется количество припоя и приподнятые выводы. Для определения количества припоя система использует три метода. Вывод считается дефектным, если хотя бы один из методов выдал отрицательный результат. На рис. 11.9 приводится результат теста по одному из методов. Область поиска включает в себя область у окончания выводов и вокруг выводов. Размеры поля поиска определяются автоматически в зависимости от размеров контактной площадки и найденного положения выводов. Если средняя яркость в пределах поля поиска больше заданного порогового значения, имеется дефект. Рис. 11.9 Контроль количества припоя Для контроля приподнятых выводов используется пять методов. Четыре из них настраиваемые, один обучаемый. Обучаемый метод работает следующим образом. Система использует базу данных примеров дефектных и бездефектных выводов (хороших и плохих примеров). На основе этих примеров при использовании различных классификаторов система определяет границы, отделяющие область дефектных от бездефектных выводов (рис.11.10). Получив результаты измерений характерных 231 признаков паяных соединений, система определяет, в какую область попадает данный вывод. База данных примеров может быть пополнена примерами пользователей. Кол-во припоя Поднятый вывод + = Хорошие примеры = плохие примеры Выделение характерных признаков паяных соединений Кол-во припоя Анализ и обработка информации Классификатор Построение границ разделения областей хороших и плохих примеров Рис.11.10 Принцип работы классификатора Затем контролируются короткие замыкания. Если яркость в поле поиска превышает заданное пороговое значение, определяется короткое замыкание (рис.11.11). Размер поля поиска можно изменять – уменьшать и увеличивать как в сторону корпуса, так и окончания контактных площадок. Рис.12.11 Контроль коротких замыканий В заключении может быть проконтролированы надписи на микросхемах. Контроль может быть осуществлен двумя способами – OCV (optical character verification) и OCR (optical character recognition). OCV представляет собой сравнение с предварительно сохраненным шаблоном. Данный способ может использоваться для распознавания, например, символов товарных знаков производителей микросхем. OCR представляет собой распознавание символов. Эта технология может использоваться для считывания надписей на микросхемах и резисторах. 232 Можно использовать различные комбинации вспышек для получения максимального контраста Ожидаемая надпись Различные фильтры и настройки Найденные символы сравниваются с базой OCR Результат Electronics Assembly Solutions Рис. 11.12 Пример распознавания символов с помощью технологии OCR Как следует из вышеизложенного, для контроля паяных соединений системы фирмы Orbotech используют смешанную технологию, включающую как работу с порогами, так и интеллектуальные методы – классификаторы. Именно такой подход обеспечивает максимальную достоверность результатов тестирования. 11.5. Работа с ремонтной станцией В процессе работы система АОИ обнаруживает предполагаемые дефекты и передает информацию о них на ремонтную станцию. Привязка обнаруженных дефектов к печатным узлам обычно осуществляется путем считывания как системой АОИ, так и оператором ремонтной станции штрих-кода, нанесенного на печатный узел. Ремонтная станция представляет собой отдельное рабочее место с компьютером с соответствующим программным обеспечением. На монитор выводятся полученные системой АОИ изображения каждого дефекта с различных ракурсов для помощи оператору в оценке решения инспекционной системы. Часто ремонтная станция оснащается лазерной указкой для точного указания места на плате, где система определила дефект. Оператор ремонтной станции, осматривая предполагаемые дефекты, обнаруженные системой АОИ, принимает окончательное решение, что это – реальный дефект, допустимая вариация процесса или ложное срабатывание. В зависимости от количества дефектов и сложности ремонта оператор может либо устранить дефект самостоятельно, либо маркировать место дефекта тем или иным образом, например, наклеив возле дефектного компонента яркую стрелку или точку, и передать печатный узел с дефектом ремонтнику. Как правило, работа оператора ремонтной станции ограничивается маркированием найденных дефектов. Если все печатные узлы по требованиям производства должны ремонтироваться на ремонтной станции, то в этом случае может быть задействовано несколько ремонтных станции, связанных по сети с системой АОИ. 233 Еще одна задача оператора ремонтной станции заключается в классификации предполагаемых системой АОИ дефектов. Нажимая на соответствующие клавиши клавиатуры, оператор либо подтверждает найденный дефект, либо отмечает его как допустимую вариацию процесса, либо констатирует ложное срабатывание. Допустимые вариации или индикаторы процесса представляют важную информацию для управления процессом. Специальное программное обеспечение, обрабатывая введенную оператором информацию, в режиме реального времени может сигнализировать о появлении негативного тренда. Например, появление большого количества допустимых дефектов, связанных с недостатком припоя в паяных соединениях, служит сигналом для добавления пасты в автомат трафаретной печати. 11.6. Показатели эффективности систем АОИ Ложные срабатывания и пропуски дефектов – правда жизни при использовании систем АОИ. Ложное срабатывание – это обнаружение системой АОИ дефекта, когда на самом деле дефекта нет. Причин появления ложных срабатываний множество. Это и плохая отладка программы, нестабильный характер производства, нестандартный внешний вид паяных соединений. Не в последнюю очередь на количество ложных срабатываний влияет эффективность алгоритмов, лежащих в основе системы АОИ. Существует несколько показателей для оценки эффективности работы системы АОИ. Самые важные из них – Detectability и First Pass Yield (FPY). Detectability оценивает эффективность работы системы АОИ с точки зрения количества пропусков дефектов. Этот показатель можно рассчитать по следующей формуле. Количество пропусков Detectability = 100% – –––––––––––––––––––––––––––– * 100% Общее количество дефектов При этом дефекты считаются на уровне компонентов: три дефекта на одной плате – это три дефекта, а не один. Несколько дефектных выводов на одной микросхеме – один дефект. Численное значение этого параметра зависит от уровня сложности печатных узлов – ниже для ПУ высокой сложности и выше для простых ПУ. Однако в любом случае он не должен быть ниже 90%. Обычно значение этого параметра более 95%. Конечно, в процессе реального производства невозможно определить точное значение этого параметра. Его значение следует определять в процессе ввода системы в эксплуатацию. FPY оценивает работу системы АОИ с точки зрения количества ложных срабатываний. Количество плат без FA и реальных дефектов FPY = ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– * 100% (Количество плат с FA – Количество плат с реальными дефектами) Опять же численное значение этого показателя зависит от уровня сложности контролируемых ПУ. Помимо этого на численное значение этого показателя влияют и другие факторы: • Квалификация программиста. Программист должен досконально знать возможности системы АОИ. Для того чтобы проконтролировать нестандартные компоненты на печатном узле, требуются нестандартные подходы. 234 • Стабильность производственного процесса. Под этим понимается отлаженность всех технологических операций, стабильность работы оборудования (периодическое техническое обслуживание, калибровка), использование свежей паяльной пасты, использование плат и компонентов с хорошей паяемостью, использование компонентов одного и того же производителя. Например, переход на использование аналогичных микросхем другого производителя может изменить маркировка полярности с углубления на скос. Система, ожидающая углубление, будет диагностировать ошибки полярности. В случае нестабильного процесса система АОИ будет отражать этот факт повышенным количеством ложных дефектов. Система АОИ является частью производственного процесса и не может сделать нестабильный процесс стабильным. • Тип производства. Если на производстве изготавливается моноизделие, то в этом случае можно добиться значения FPY 90% и более. При многономенклатурном характере производства и небольших партиях, когда времени на отладку программы нет, многие производители мирятся с FPY порядка 30%. • Количество времени, которое можно инвестировать в отладку программы. Считается, что на создание тестовой программы тратится 30% общего времени, а оставшиеся 70% - на отладку программы. Работа с неотлаженной программой – путь к повышенному количеству ложных срабатываний. По опыту многих производств приемлемым значением FPY является величина в 50-60%. 11.7. Литература 1. Thomas Eskridge. Test & Inspection 2. Titus T. Suck. AOI (Automated Optical Inspection) and Repair Concepts: Adding Value and Optimizing SMT Line Performance. – Electronic Production, May/June 2002 3. Michael D. Early. Accurate, high speed automated optical inspection comes of age. 4. Автоматическая Оптическая Инспекция – спектр решений от OРБОТЕК. – Поверхностный монтаж, №1 (18), 2002 5. Экономичное решение для автоматической оптической инспекции электронных модулей на печатных платах. – Поверхностный монтаж, №5 (27), 2003 235 12. Приложение 1. Упаковки компонентов 12.1. Типы упаковок 12.1.1. Упаковка в ленту 236 12.1.2. Упаковка в пенал 12.1.3. Упаковка в матричный поддон 12.2. Чип-компоненты 12.2.1. Керамические чип-конденсаторы Керамические чип-конденсаторы упаковываются в бумажную или пластиковую ленту и кассеты с россыпью. Размеры катушек 4, 7 и 13 дюймов Размеры Информация Количество Количество Количество Количество Тип о ленте компокомпонентов компонентов компонентов компонентов компонента, ширина, шаг, в кассете с в катушке 4” в катушке 7” в катушке нента мм россыпью (100 мм) (180 мм) 13” (330 мм) мм мм 237 Бумажная лента 0201 0,5х0,25 0402 1,0х0,5 0603 1,6х0,8 0805 2,0х1,2 1206 3,2х1,6 Пластиковая лента 0805 2,0х1,2 1206 3,2х1,6 1210 3,2х2,5 1812 4,5х3,2 2225 5,6х6,4 12.2.2. 8 8 8 8 8 2 2 4 4 4 50000 15000 10000 4000 500 500 500 500 500 15000 10000 4000 4000 4000 50000 10000 10000 10000 8 8 8 12 12 4 4 4 8 8 - 500 500 500 100 100 3000 3000 3000 1000 1000 10000 10000 10000 4000 4000 Танталовые конденсаторы Танталовые конденсаторы упаковываются в ленту или кассеты с россыпью. Тип компонента A B C D J P/R длина 3,2 3,5 6,0 7,3 1,6 2,0 12.2.3. Количество Количество Количество компонентов компонентов компонентов в кассете с в катушке в катушке ширина высота россыпью 4” (100 мм) 7” (180 мм) 1,6 1,6 100 250 2000 2,8 1,9 100 250 2000 3,2 2,5 50 100 500 4,3 2,8 50 100 500 0,8 0,8 4000 1,2 1,2 250 2500/3000 Размеры компонента, мм Алюминиевые конденсаторы Алюминиевые конденсаторы упаковываются в ленту. Диаметр Максимальная корпуса, высота, мм мм 3 4 5 6,3 8 8 10 10 5,5 5,5 5,5 5,5 6,0 10 10 14-22 Информация о ленте ширина, мм шаг, мм 12 12 12 16 16 24 24 32 8 8 12 12 12 16 16 20 238 Количество Количество компонентов компонентов в катушке в катушке 7” 4” (100 мм) (180 мм) 200 2000 200 2000 100 1000 100 1000 100 1000 100 500 100 300-500 250-300 12,5 12,5 12,5 16 16 18 18 20 12.2.4. 14 17 22 17 22 17 22 17 32 32 32 44 44 44 44 44 24 24 24 28 28 32 32 36 - 200-250 150-200 125-150 125-150 75-100 125-150 75-100 50 Чип-резисторы Чип-резисторы упаковываются в ленту и кассеты с россыпью. Размеры катушек 4, 7 и 13 дюймов. Размеры Информация Количество Количество Количество Количество Тип о ленте компокомпонентов компонентов компонентов компонентов компонента, ширина, шаг, в кассете с в катушке в катушке в катушке нента мм мм мм россыпью 4” (100 мм) 7” (180 мм) 13” (330 мм) Бумажная лента 0201 0,5х0,25 8 2 1000 10000 0402 1,0х0,5 8 2 50000 1000 10000 50000 0603 1,6х0,8 8 4 25000 1000 5000 10000 0805 2,0х1,2 8 4 10000 1000 5000 10000 1206 3,2х1,6 8 4 5000 1000 5000 10000 1210 3,2х2,5 8 4 1000 5000 Пластиковая лента 1210 3,2х2,5 8 4 1000 4000 2010 5,0х2,5 12 4 250 4000 2512 6,3х3,2 12 4 4000 2512 6,3х3,2 12 8 250 2000 - 12.2.5. MELF-резисторы MELF-резисторы упаковываются в ленту. Информация Количество Количество Размеры о ленте компонентов компонентов (ДхØ), в катушке ширина, шаг, в катушке мм Тип Название мм мм 4” (100 мм) 7” (180 мм) Пластиковая лента 0604 1,6x1,0 8 4 500 3000 0805 Micro 2,2x1,1 8 4 500 3000 1206 Mini 3,2x1,6 8 4 500 3000 1406 Mini 3,5x1,4 8 4 500 3000 2308 MELF 5,9x2,2 12 4 250 1500 Компонент 239 12.2.6. Чип-индуктивности Индуктивность в литом корпусе Многослойная индуктивность Чип-индуктивности упаковываются в ленту. Информация о Количество Количество ленте Тип Размеры компонентов в компонентов в компонента (ДхШ), мм ширина, шаг, катушке 4” (100 мм) катушке 7” (180 мм) мм мм Многослойные индуктивности 0201 0,5х0,25 8 2 500 15000 0402 1,0х0,5 8 2 500 10000 0603 1,6х0,8 8 4 250 4000 0805 2,0х1,2 8 4 250 4000 1206 3,2х1,6 8 4 250 2000 Индуктивности в литом корпусе 1008 2,5х2,0 8 4 250 2000 1210 3,2х2,5 8 4 250 2000 1812 4,5х3,2 12 8 100 500 12.3. Дискретные полупроводниковые компоненты 12.3.1. Ультра мини Транзисторы в корпусах SOT Мини Стандартные Транзисторы большой мощности Транзисторы в корпусах SOT упаковываются в ленту. Тип корпуса SOT346 SOT323 SOT416 SOT23 SOT23-5 Размеры Коли- Информация Количество Количество о ленте корпуса чество компонентов в компонентов в выво- ширина, шаг, катушке 4” (100 катушке 7” (180 A В S H дов мм) мм) мм мм 3 8 4 2,9 1,6 2,8 1,1 3000 3 8 4 2,0 1,25 2,1 0,9 3000 3 8 4 1,6 0,8 1,6 0,7 3000 3 8 4 2,9 1,3 2,4 0,95 500 3000 5 8 4 2,9 1,6 2,8 1,1 500 3000 240 SOT23-6 SOT89 SOT143 SOT223 SOT323 SOT343 SOT353 SOT363 SOT23-8 6 3 4 3 3 4 5 6 8 8 12 8 12 8 8 8 8 8 Вид сверху 4 8 4 8 4 4 4 4 4 2,9 1,6 2,8 1,1 4,5 2,5 4,0 1,5 2,9 1,6 2,8 0,95 6,5 3,6 7,0 1,6 2,0 1,25 2,1 0,9 2,0 1,25 2,1 0,9 2,0 1,25 2,1 0,9 2,0 1,25 2,1 0,9 2,9 1,3 2,4 0,95 500 200 500 100 500 500 500 - 3000 1000 3000 1000-2500 3000 3000 3000 3000 3000 Вид сбоку 12.3.2. Диоды 12.3.2.1. MELF-диоды Melf-диоды упаковываются в ленту. Тип корпуса mini MELF DO213AA (LL34) MELF DO213AB (LL41) MELF DO213AB (SM1) 12.3.2.2. Информация Количество Количество Количество Размеры о ленте компонентов в компонентов в компонентов в (ДхØ), ширина, шаг, катушке 4” (100 катушке 7” (180 катушке 13” мм мм) мм) (330 мм) мм мм 3,5х1,6 8 4 500 2500 10000 5х2,5 12 4 250 1500 5000 5х2,5 12 4 250 1750 5000 Диоды в корпусах прямоугольного сечения Корпус с Собразными выводами Корпус с выводами типа “крыло чайки” 241 Диоды упаковываются в ленту. Размеры корпуса, Информация о Количество Количество мм ленте Тип компонентов в компонентов в корпуса катушке 13” (330 ширина, шаг, катушке 7” (180 L W H S В мм) мм) мм мм Корпуса с С-образными выводами SOD523 1,2 0,8 0,6 1,6 0,3 8 4 3000 SOD323 1,7 1,25 0,7 2,5 0,3 8 4 3000 10000 SOD123 2,7 1,5 1,3 3,6 0,7 8 4 2500 DO215AC 4,3 2,6 2,2 6,1 1,4 12 4 1800 5000 DO215AA 4,3 3,6 2,3 6,2 2,0 12 8 1000 2500 DO215AB 7,0 6,0 2,3 10 3,0 16 8 900 2500 Корпуса с выводами типа “крыло чайки” DO214AC 4,3 2,6 2,2 5,0 1,5 12 4 1500 5000-7500 DO214AC 4,3 2,6 2,2 5,0 1,5 12 4 1800 5000-7500 DO214AA 4,3 3,6 2,3 5,4 2,0 12 8 750 3000-3200 DO214AB 7,0 6,0 2,3 8,0 3,0 16 8 850 3000-3500 Корпус с СКорпус с выводами образными выводами типа “крыло чайки” Вид сбоку Вид сбоку 12.3.3. Мощные устройства в корпусах DPAK Микросхемы в корпусе DPAK упаковываются в ленту или пеналы. Размеры корпуса Информация о Количество Количество ленте Тип компонентов в компонентов в корпуса катушке 13” (330 ширина, шаг, катушке 7” (180 мм) L W H S мм) мм мм DPAK 6 6,5 2,3 10 16 8 100 2500 D2PAK 9,2 10 4,4 15 24 12 100 750-1000 D2PAK-3 9,2 10,4 4,4 15 24 12 750-1000 D2PAK-4 9,2 10,4 4,4 15 24 12 750-1000 D2PAK-5 9,2 10,4 4,4 15 24 12 750-1000 D3PAK 14 16 4,7 18,8 24 24 500 242 Вид сверху Вид сбоку 12.4. Интегральные схемы 12.4.1. PLCC Микросхемы в корпусе PLCC упаковываются в ленту или пеналы. Информация Количество Количество Размеры Количество о ленте Тип компонентов в компонентов в корпуса, компонентов в корпуса катушке 7” (180 катушке 13” ширина, шаг, дюймы пенале мм) (330 мм) мм мм PLCC18S 0,29x0,43 24 12 36 PLCC18 0,29x0,49 24 12 36 100 1000 PLCC20 0,35х0,35 16 12 46-50 100 1000 PLCC28 0,45х0,45 24 16 37-40 100 500-1000 PLCC32 0,45х0,55 24 16 30-34 100 500-750 PLCC44 0,65х0,65 32 24 25-28 100 400-500 PLCC52 0,75х0,75 32 24 24-25 50 500 PLCC68 0,95х0,95 44 32 17-20 50 250 PLCC84 1,15х1,15 44 36 14-17 50 250 12.4.2. LCC Тип корпуса LCC20 LCC28 LCC32 LCC44 LCC52 LCC68 LCC84 Шаг выводов, Размеры корпуса, мм дюймы 1,27 0,35х0,35 1,27 0,45х0,45 1,27 0,45x0,55 1,27 0,65х0,65 1,27 0,75х0,75 1,27 0,95х0,95 1,27 1,15х1,15 243 12.4.3. SO Микросхемы в корпусе SO упаковываются в ленту или пеналы. Ширина корпуса Информация о Количество Количество Количество ленте Тип компонентов в компонентов в компонентов корпуса катушке 4” катушке 13” ширина, шаг, в пенале милы мм (100 мм) (330 мм) мм мм SO4 150 3,9 12 8 750 SOM4 250 6,4 12 12 50 1500 SO8 150 3,9 12 8 96-100 100 2500 SO14 150 3,9 16 8 50-56 100 2500 SOP14 208 5,3 16 12 45 2000 SOM14 220 5,6 24 12 58 2000 SO16 150 3,9 16 8 45-50 100 2500 SOP16 208 5,3 16 12 43 2000 SOM16 220 5,6 24 12 42 100 2000 SOL16 300 7,5 16 12 47 100 1000 SOL18 300 7,5 24 12 41-42 1000 SOL20 300 7,5 24 12 38 100 1000 HSOP20 430 11,0 44 16 30 1000 SOL24 300 7,5 24 12 31-33 100 1000 SOL28 300 7,5 24 12 26-27 100 1000 SOW28 330 8,4 24 16 26-27 1000 SOL32 300 7,5 32 16 22-25 1000 SOW32 330 8,4 32 16 22-25 1000 SOY32 450 11,4 44 16 22-25 500 SOY40 450 11,4 44 16/24 18 500 SOZ44 525 13,3 44 24 17 500 12.4.4. SOJ Микросхемы в корпусе SOJ упаковываются в ленту или пеналы. Информация Количество Количество Количество компонентов в компонентов в о ленте компонентов катушке 4” катушке 13” ширина, шаг, в пенале милы мм (100 мм) (330 мм) мм мм SOLJ18 300 7,5 24 12 41 1000 SOLJ20 300 7,5 24 12 33-37 1000 SOLJ24 300 7,5 24 12 31 1000 SOLJ20/26 300 7,5 24 12 27 100 1000 Тип корпуса Ширина корпуса 244 SOLJ24/26 SOLJ28 SOXJ28 SOLJ32 SOXJ32 SOXJ36 SOXJ40 SOXJ42 SOXJ44 300 300 400 300 400 400 400 400 400 7,5 7,5 10,0 7,5 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 12.4.5. MSOP 24 24 24/32 32 32 44 44 44 44 12 12 16 16 16 16 16 16 16 25-30 25-27 25-26 22-23 22-23 22 15-18 16-17 17 100 - 1000 1000 1000 1000 500-1000 500-1000 500-1000 500-1000 500-1000 Микросхемы в корпусе MSOP упаковываются в ленту или пеналы. Тип корпуса Ширина корпуса Шаг выводов милы мм милы мм MSOP8 MSOP10 118 118 3 3 25,6 19,7 0,65 0,50 12.4.6. SSOP Информация о ленте ширина, шаг, мм мм 12 8 12 8 Количество Количество компонентов компонентов в катушке в пенале 7” (180 мм) 50-98 3000 50-98 3000 Микросхемы в корпусе SSOP упаковываются в ленту или пеналы. Ширина корпуса Информация о Количество ленте Тип Шаг компонентов в корпуса выводов ширина, шаг, пенале милы мм мм мм QSOP16 150 3,9 0,635 12 8 99 QSOP20 150 3,9 0,635 16 8/12 55 QSOP24 150 3,9 0,635 16 8/12 55 QSOP28 150 3,9 0,635 16 8/12 48 QVSOP40 150 3,9 0,5 16 8 48 QVSOP48 150 3,9 0,4 16 8 48 QVSOP80 150 3,9 0,5 24 12 24 SSOP8 208 5,3 0,65 12 8 160 SSOP14 208 5,3 0,65 12/16 12 77 SSOP16 208 5,3 0,65 12/16 12 77 SSOP20 208 5,3 0,65 16 12 66 SSOP24 208 5,3 0,65 16 12 59 SSOP28 208 5,3 0,65 16/24 12 47 SSOP34 300 7,5 1,0 24 12/16 27 SSOP36 300 7,5 0,8 24 12/16 31 245 Количество компонентов в катушке 13” (330 мм) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 2500 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 SSOP44 SSOP48 SSOP48 SSOP56 SSOP64 PFP16 HSOP20 HSOP24 HSOP30 HSOP36 HSOP44 300 300 300 300 472 270 433 433 433 433 433 7,5 7,5 7,5 7,5 12 6,8 11 11 11 11 11 12.4.7. TSSOP 0,8 1,0 0,635 0,635 0,8 6,8 1,27 1,0 0,8 0,65 0,65 32 32 32 32 44 24 44 44 44 44 44 12/16 12/16 12/16 12/16 24 16 24 24 24 24 24 27 30 30 26 24 68 30 30 30 30 30 1000 1000 1000 1000 500 1000 500 500 500 500 500 Микросхемы в корпусе ТSSOP упаковываются в ленту или пеналы. Тип корпуса Длина корпуса, мм Шаг выводов, мм Корпуса шириной 4,4 мм (173 мил) TSSOP8 3,0 0,65 TSSOP14 5,0 0,65 TSSOP16 5,0 0,65 TSSOP20 6,5 0,65 TSSOP24 7,8 0,65 TSSOP28 9,7 0,65 TSSOP30 7,8 0,5 TSSOP38 9,7 0,5 TSSOP44 11,3 0,5 TSSOP48 9,7 0,4 TSSOP56 11,3 0,4 Корпуса шириной 6,1 мм (240 мил) TSSOPW28 9,7 0,65 TSSOP32 11,0 0,65 TSSOP38 12,5 0,65 TSSOP48 12,5 0,5 TSSOP56 14,0 0,5 TSSOP64 17,0 0,5 TSSOP80 17,0 0,4 12.4.8. Информация о ленте ширина, шаг, мм мм Количество компонентов в пенале Количество компонентов в катушке 13” (330 мм) 12/16 12/16 12/16 16 16 16 16 16 24 16 24 8 8 8 8/12 8/12 8/12 8/12 8/12 12 8/12 12 100 96 96 74-76 62-63 50 62 50 42 50 42 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 24 24 24 24 24 24 24 12 12 12 12 12 12 12 50 44 39 39 35 28 28 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 1000-3000 TSOP Микросхемы в корпусе ТSOP упаковываются в ленту или матричные поддоны. 12.4.8.1. TSOP – тип 1 246 Тип корпуса TSOP28-T1 TSOP28/32T1 TSOP32-T1 TSOP32ST1 TSOP40-T1 TSOP40-T1 TSOP48-T1 TSOP56-T1 12.4.8.2. Тип корпуса TSOP32-T2 TSOP40/44T2 TSOP44-T2 TSOP44/50T2 TSOP50-T2 TSOP54-T2 TSOP665T2 TSOP86-T2 Шаг выводов, мм 0,55 0,5 Информация о Количество Размеры Количество ленте корпуса компонентов в компонентов (включая матричном в катушке 13” ширина, шаг, выводы), мм поддоне (330 мм) мм мм 8x13,4 24 12 234 1000 8x20 32 12/16 156 1000 0,5 0,5 8x20 8x13,4 32 24 12/16 12 156 234 1000 1000 0,5 0,5 0,5 0,5 10x14 10x20 12x20 14x20 24 32 32 32 16 16 16 24 160 120 96 96 1000 1000 1000 1000 TSOP – тип 2 Шаг выводов, мм 1,27 0,8 Информация о Количество Размеры Количество ленте корпуса компонентов в компонентов в (включая ширина, шаг, матричном катушке 13” выводы), мм поддоне (330 мм) мм мм 10x21,0 32 16 117 500-1000 10x18,4 32 16 135 500-1000 0,8 0,8 10x18,4 10x21 32 32 16 16 135 117 500-1000 500-1000 0,8 0,8 0,65 10x21 10x22,2 10x22,2 32 32 32 16 16 16 117 108 108 500-1000 500-1000 500-1000 0,5 10x22,2 32 16 108 500-1000 12.4.9. QFP 12.4.9.1. TQFP (толщина корпуса 1,0 мм) 1 мм Микросхемы в корпусе TQFP упаковываются в ленту или матричные поддоны. Тип Шаг Размеры Информация 247 Количество Количество корпуса выводов корпуса о ленте (AxB), мм ширина, шаг, мм милы мм мм TQFP32 0,5 19,7 5x5 16 12 TQFP32 0,8 31,5 7x7 16 12 TQFP44 0,8 31,5 10x10 24 16 TQFP48 0,5 19,7 7x7 16 12 TQFP52 0,65 25,6 10x10 24 16 TQFP64 0,4 15,7 7x7 16 12 TQFP64 0,5 19,7 10x10 24 24 TQFP64 0,8 31,5 14x14 24 16 TQFP80 0,4 15,7 10x10 24 16 TQFP80 0,5 19,7 12x12 24 24 TQFP80 0,65 25,6 14x14 24 24 TQFP100 0,5 19,7 14x14 24 24 TQFP120 0,4 15,7 14x14 24 24 TQFP128 0,4 15,7 14x14 24 24 TQFP144 0,5 19,7 20x20 44 24 TQFP176 0,4 15,7 20x20 44 24 компонентов в матричном поддоне 360 250 160 250 160 250 160 90 160 119 90 90 90 90 60 60 компонентов в катушке 13” (330 мм) 2500 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 Для получения размеров C и D следует прибавить по 2,0 мм к размерам A и B соответственно. 12.4.9.2. LQFP (толщина корпуса 1,4 мм) 1,4 мм Микросхемы в корпусе LQFP упаковываются в ленту или матричные поддоны. Тип корпуса Шаг выводов мм милы LQFP32 0,5 19,7 LQFP32 0,8 31,5 LQFP44 0,8 31,5 LQFP48 0,5 19,7 LQFP52 0,65 25,6 LQFP64 0,4 15,7 LQFP64 0,5 19,7 LQFP64 0,8 31,5 Размеры корпуса (AxB), мм 5x5 7x7 10x10 7x7 10x10 7x7 10x10 14x14 Информация о Количество Количество ленте компонентов в компонентов в матричном катушке 13” (330 ширина, шаг, поддоне мм) мм мм 16 12 360 2500 16 12 250 1000 24 16/24 160 1000 16 12 250 1000 24 16/24 160 1000 16 12 250 1000 24 16/24 160 1000 24 20/24 90 1000 248 LQFP80 0,4 LQFP80 0,5 LQFP80 0,65 LQFP100 0,5 LQFP100 0,65 LQFP120 0,4 LQFP128 0,4 LQFP128 0,5 LQFP144 0,5 LQFP160 0,5 LQFP176 0,4 LQFP176 0,5 LQFP208 0,5 LQFP216 0,4 LQFP256 0,4 15,7 19,7 25,6 19,7 25,6 15,7 15,7 19,7 19,7 19,7 15,7 19,7 19,7 15,7 15,7 10x10 12x12 14x14 14x14 14x20 14x14 14x14 14x20 20x20 24x24 20x20 24x24 28x28 24x24 28x28 24 24 24 24 44 24 24 44 44 44 44 44 44 44 44 16/24 16/24 20/24 20/24 24 20/24 20/24 24 24 32 24 32 32 32 32 160 119 90 90 72 90 90 72 60 40 60 40 36 40 36 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 500 500 500 500 Для получения размеров C и D следует прибавить по 2,0 мм к размерам A и B соответственно. 12.4.9.3. QFP Квадратный корпус Прямоугольный корпус Микросхемы в корпусе QFP упаковываются в ленту или матричные поддоны. Ширина области, Шаг Количество Количество Количество Тип занимаемой выводов компонентов компонентов компонентов корпуса выводами (2хL), в матричном в катушке 7” в катушке 13” милы мм мм поддоне (180 мм) (330 мм) Квадратные корпуса 10х10 мм QFP44 3,2 31,5 0,8 96 50 750 QFP44 3,9 31,5 0,8 96 50 750 QFP52 3,2 25,6 0,65 96 750 QFP52 3,9 25,6 0,65 96 750 QFP64 3,2 19,7 0,5 96 Квадратные корпуса 14х14 мм QFP44 3,2 40 1,0 84 500 QFP52 3,2 40 1,0 84 500 QFP64 3,2 31,5 0,8 84 500 QFP64 3,2 31,5 0,8 84 500 QFP80 3,2 25,6 0,65 84 500 QFP80 3,2 25,6 0,65 84 500 249 SQFP100 2,0 19,7 Прямоугольные корпуса 14х20 мм QFP64 3,2 40 QFP64 3,9 40 QFP80 3,9 31,5 QFP100 3,2 25,6 QFP100 3,9 25,6 QFP100 5,6 25,6 QFP128 3,2 19,7 Квадратные корпуса 28х28 мм QFP120 3,2 31,5 QFP120 3,9 31,5 QFP128 3,2 31,5 QFP128 3,9 31,5 QFP136 3,2 25,6 QFP144 2,6 25,6 QFP144 3,2 25,6 QFP144 3,9 25,6 QFP160 2,6 25,6 QFP160 3,2 25,6 QFP160 3,9 25,6 QFP184 2,6 19,7 QFP208 2,6 19,7 QFP256 2,6 15,7 Квадратный корпус 32х32 мм QFP240 2,6 19,7 Квадратный корпус 40х40 мм QFP304 2,6 19,7 0,5 50 - - 1,0 1,0 0,8 0,65 0,65 0,65 0,5 60 66 66 66 66 60 66 50 50 50 50 - 200 200 200 200 200 - 0,8 24 0,8 24 0,8 24 0,8 24 0,65 24 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,65 0,5 0,5 0,4 24 24 24 24 24 24 24 24 24 50 50 50 50 50 0,5 24 - 200 0,5 12 - - Типичная Информация о ленте Размеры толщина корпуса ширина, мм шаг, мм корпуса 10х10 2,0 24 16/24 14х14 2,0 32 24 14х14 2,7 32 24 14x20 2,7 44 32 28х28 3,6 44 40 32х32 3,8 56 44 40х40 3,8 - 250 50 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 12.4.9.4. BQFP Ширина Ширина Шаг области, Тип занимаемой выводов, корпуса корпуса (B), мм мм выводами (2xL), мм BQFP100 3,3 0,635 19 BQFP132 3,3 0,635 24,1 12.4.10. Количество Количество Количество компонентов компонентов компонентов в катушке в катушке в матричном 13” (330 мм) 7” (180 мм) поддоне 55 36 50 50 CERQUAD и CLCC CERQUAD CLCC Шаг выводов Размеры корпуса Тип выводов милы мм дюймы мм CLCC28J 50 1,27 J-образные 0,45х0,45 11,5х11,5 CLCC44J 50 1,27 J- образные 0,65х0,65 16,5х16,5 CLCC52J 50 1,27 J- образные 0,75х0,75 19,0х19,0 CLCC68J 50 1,27 J-образные 0,95х0,95 24,1х24,1 CLCC84J 50 1,27 J-образные 1,15х1,15 29,3х29,3 CERQUAD28F 50 1,27 Плоские 0,40х0,40 10,0х10,0 CERQUAD44F 50 1,27 Плоские 0,562х0,562 14,3х14,3 CERQUAD52F 50 1,27 Плоские 0,75х0,75 19,0х19,0 CERQUAD68F 50 1,27 Плоские 0,95х0,95 24,1х24,1 CERQUAD84F 25 0,635 Плоские 0,65х0,65 16,5х16,5 CERQUAD84F 50 1,27 Плоские 1,06х1,06 27,0х27,0 CERQUAD132F 25 0,635 Плоские 0,95х0,95 24,1х24,1 CERQUAD132F 25 0,635 Плоские 0,87х0,87 22,1х22,1 CERQUAD132G 25 0,635 Крыло чайки 0,87х0,87 22,1х22,1 CERQUAD172F 25 0,635 Плоские 1,15х1,15 29,3х29,3 CERQUAD196F 25 0,635 Плоские 1,26х1,26 32,0х32,0 CERQUAD208G 19,7 0,50 Крыло чайки 1,10х1,10 28,0х28,0 Тип корпуса 251 300 300 CERQUAD256F 20 0,508 Плоские 1,46х1,46 37,1х37,1 Стеклокерамика Плоский вывод на рамке 12.4.11. J-образный выводы Вывод типа крыло чайки Flip chip Микросхемы Flip Chip поставляются на пластине (Wafer) или в матричных поддонах. Тип Информация о выводах Размеры компокристалла, шаг, высота, диаметр, нента мм мкм мкм мкм FC48 457 140 178 6,3х6,3 FC88 204 125 135 5,08х5,08 FC96 457 140 178 12,7х12,7 FC112 152 85 88 5,08х5,08 FC176 204 125 135 10,2х10,2 FC220 204 125 135 10,2x15,25 FC317 254 119 125 5,08х5,08 FC579 300 100 110 11,0х11,0 FC960 225 90 100 7,2х7,2 FC1268 254 119 125 10,2х10,2 FC2853 254 119 125 15,0х15,0 FC5072 254 119 125 20,0х20,0 12.4.12. Количество кристаллов в пластине 5” 236 340 46 340 81-85 45-48 340 Пластина 8" Пластина 8" 81-85 28 18 Количество кристаллов в матричном поддоне 2х2” 25 36 9 36 9 6 36 9 25 9 4 4 BGA, CSP Микросхемы в корпусе BGA, CSP упаковываются в матричные поддоны. 12.4.12.1. Тип корпуса CSP46 CSP208 μBGA, CSP Шаг выводов, мм 0,75 0,5 Размеры корпуса, мм 5,76х7,87 9,3х9,3 Диаметр Схема Количество выводов, расположения компонентов в мм выводов матричном поддоне 4х4” 0,325 6х8 99 0,300 15х15 49 252 12.4.12.2. CSP с шагом выводов 0,5 мм Тип Размеры корпуса корпуса, мм Высота Схема Количество корпуса (с расположения компонентов в выводами), H, мм выводов матричном поддоне 0,65 3x2 Упаковываются в ленту 1,24 8x8 624 1,24 8х8 490 1,24 10x10 608 1,24 14x14 360 1,24 14x14 360 1,0 22x22 189 CSP6 1,5x1,0 CSP40 CSP48 CSP56 fBGA96 CSP108 LBGA228 5х5 5х5 6х6 8х8 8х8 12х12 12.4.12.3. BGA и CSP с шагом выводов 0,75-0,8 мм Тип корпуса Размеры корпуса, мм BGA46 6x7 BGA48 6x7 BGA36 6х6 LBGA48 8x9 BGA49 7х7 LBGA64 8х8 BGA81 9х9 BGA100 10х10 LBGA112 10х10 LBGA144 12х12 LBGA208 15х15 LBGA280 17х17 BGA и LBGA Схема Шаг Количество компонентов в расположения выводов, мм матричном поддоне выводов 0,75 6x8 160 0,75 6x8 160 0,8 6x6 608 0,8 6x8 297 0,8 7x7 476 0,8 8x8 360 0,8 9x9 360 0,8 10x10 250 0,8 11x11 184 0,8 12x12 189 0,8 17x17 126 0,8 19x19 90 1,4 мм макс. 0,8 253 12.4.12.4. Пластиковые BGA с шагом выводов 1,0 мм Тип корпуса BGA81 BGA100 BGA144 BGA156 BGA160 BGA192 BGA196 BGA208 LBGA209 BGA256 BGA324 LBGA384 LBGA400 LBGA484 LBGA672 LBGA900 LBGA1156 LBGA1600 LBGA1936 Размеры корпуса, Схема расположения мм выводов 10х10 9x9 11х11 10x10 13х13 12x12 15х15 14x14 15х15 14x14 17х17 16x16 15х15 14x14 17х17 16x16 14x22 11x19 17х17 16x16 23х23 22x22 27х27 26x26 21х21 20x20 23х23 22x22 27х27 26x26 31х31 30x30 35х35 34x34 42,5х42,5 40x40 45х45 44x44 Количество компонентов в матричном поддоне 250 176 160 126 126 90 126 90 84 90 60 40 60 60 40 27 24 12 12 BGA 1,6-2,0 1,0 LBGA 2,1 макс. 1,0 12.4.12.5. Тип корпуса BGA208 BGA217 BGA256 BGA272 BGA352 BGA385 BGA388 LBGA357 Пластиковые BGA с шагом выводов 1,27 мм Размеры корпуса, мм 23х23 23х23 27х27 27х27 35х35 31х31 35х35 25х25 Схема расположения выводов 17x17 17х17 20x20 20x20 26x26 23x23 26x26 19x19 254 Количество компонентов в матричном поддоне 60 60 40 40 24 27 24 24 LBGA1225 Литая крышка 45х45 35x35 12 BGA 2,1-2,3 1,27 Многослойная плата LBGA 2,1 макс. Многослойная плата 12.4.12.6. 1,27 Пластиковые BGA с шагом выводов 1,5 мм Размеры корпуса, мм BGA169 23х23 BGA225/LBGA225 27х27 LBGA400 35х35 Тип корпуса 12.4.12.7. Схема расположения выводов 13х13 15х15 20х20 Количество компонентов в матричном поддоне 60 40 24 Керамические BGA макс. высота 1,7 мм Тип корпуса CBGA121 CBGA196 CBGA256 CBGA304 CBGA361 CBGA400 CBGA625 CBGA1089 Размеры корпуса, мм 15х15 18,5х18,5 21х21 21x25 25х25 27х27 32,5х32,5 42,5х42,5 Схема расположения выводов 11x11 14x14 16x16 16x19 19x19 20x20 25x25 33x33 255 Количество компонентов в матричном поддоне 126 84 60 55 44 40 24 12 256
