В статье описаны особенности применения водо-отмывных и безотмывных флюсов.
А. Мельниченко
Для пайки кристаллов микросхем на подложки BGA разработаны различные флюсы. Их наносят в виде массива капель заданного объема. В эти капли помещают шарики припоя, затем вся сборка паяется способом оплавления. Тип флюса для такой пайки выбирается с учетом многих факторов, как-то: способа и профиля пайки, состава газовой среды, состава сплава и размера шариков припоя, способа очистки от остатков флюса и др. Обычно используют водорастворимые флюсы, предусматривающие очистку после пайки, хотя существует тенденция перехода в будущем для упрощения и удешевления процесса пайки к использованию безотмывных флюсов.
НАНЕСЕНИЕ ФЛЮСА МЕТОДОМ ПЕРЕНОСА
Метод переноса — наиболее часто используемый способ нанесения флюса на площадки подложки BGA-компонента. Широкая и неглубокая ванна наполняется флюсом, поверхность которого выравнивается ракелем. В ванну опускают массив тонких штырей, расположение которых повторяет рамещение площадок подложки. Смоченные флюсом штыри затем опускаются на подложку и, касаясь площадок, оставляют на них островки флюса.
Объем островков флюса зависит от размера и формы штырей, глубины их погружения в ванну, реологических свойств паяльной пасты и относительной влажности воздуха. Для водорастворимых флюсов оптимальная влажность составляет 35-55%.
Технология переноса имеет ряд преимуществ, поэтому именно ей в течение нескольких последних лет отдается предпочтение перед трафаретной печатью.
Вот некоторые из них:
1. Возможность нанесения флюса на неплоские подложки. Из-за малой толщины подложки она легко изгибается. Поэтому, чтобы нанести на нее флюс способом трафаретной печати, необходимо использовать сложное приспособление, предохраняющее подложку от изгиба. Способ переноса с использованием подпружиненных штырей дает возможность наносить флюс на подложки с неровной поверхностью.
2. Малая площадь островков флюса. В большинстве случаев островки флюса должны иметь небольшую площадь при сравнительно большом объеме. Для их нанесения трафарет должен иметь большую толщину. При этом значительно возрастают погрешности в объеме нанесенного флюса, что неприемлемо.
3. Отсутствие влияния вязкости флюса. При повторяющейся трафаретной печати вязкость флюса значительно снижается, что вызывает дополнительные проблемы, особенно при неоптимальном составе флюса.
Были исследованы характеристики флюсов четырех типов. В качестве подложки для монтажа кристаллов BGA был использован материал FR-4 с медными площадками, шарики припоя диаметром 0.66 мм были изготовлены из сплава SAC387 (95.5% Sn, 3.8% Ag, 0.7% Cu).
ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЧИВАНИЯ
При использовании флюсов стандартного состава достигается хорошее смачивание металлических площадок подложки оловянносвинцовыми припоями с высоким содержанием олова, такими как 63Sn37Pb. Однако при использовании припоев из SAC-сплавов смачивание этих площадок затруднено из-за большей величины поверхностного натяжения, характерной для этих сплавов. К тому же, повышенная (примерно на 40 °C) температура пайки ускоряет процесс окисления припоев, что также ухудшает их смачивающую способность.
Зависимость смачивающей способности припоев от типа флюса исследовалась с использованием четырех разных флюсов для пайки BGA-кристаллов: двух водоотмывных (А и В) и двух безотмывных (С и D). Флюсы наносились способом переноса. При использовании водоотмывных флюсов смачивающая способность была лучше из-за их большей активности, причем использование флюса В позволило получить соединение, более устойчивое к действию усилий среза. Сравнение флюсов С и D показало более высокое сопротивление срезу соединений, спаянных с использованием флюса С.
ОЧИСТКА ПОДЛОЖЕК ОТ ОСТАТКОВ ФЛЮСА
В безотмывных флюсах для обволакивания остатков растворов-активаторов с целью их изоляции используется канифоль. Если возникает необходимость очистки подложки от остатков флюса с целью повышения надежности изделия, применяют водоотмывные флюсы.
Некоторой платой за улучшение смачивающей способности при использовании водоот-мывных флюсов можно считать большую загрязненность плат по сравнению с пайкой безотмывными флюсами. Однако, как показали эксперименты, после пайки корпусов BGA в воздушной среде с температурным профилем, характерным для бессвинцовых припоев, остатки водоотмывного флюса легко удаляются путем промывки струей воды (очищенной от растворенных в ней солей) под давлением не менее 4 атм. в течение, как минимум, одной минуты. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Платы, спаянные с применением водоот-мывного флюса В, были подвергнуты дополнительному испытанию. Согласно стандартам IPC-TM-650 и IPC J-STD-004 поверхностное сопротивление плат после 176 часов пребывания при температуре 85 °C и относительной влажности 85% должно быть не менее 108 Ом. К концу указанного срока поверхностное сопротивление платы, спаянной с применением флюса В, составляло более 109 Ом.
Проверка рентгеновским методом показала, что при использовании современных флюсов число пустот в соединении достаточно мало.
Исследовалось также поведение флюсов при пайке в среде азота. На рисунке показаны шарики бессвинцового припоя после оплавления в воздушной и азотной средах. Хотя после пайки в среде азота соединения выглядят гораздо лучше, чем после пайки в воздушной среде, и в том и в другом случае образуются соединения, обладающие достаточной прочностью и силой сцепления с площадками подложки.
Шарики припоя после оплавления в воздушной (а) и азотной (б) средах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прогресс в технологии производства полупроводниковых компонентов является основной движущей силой в разработке флюсов нового состава. В настоящее время нет флюса, превосходящего остальные по всем показателям, однако можно подобрать флюс, работающий лучше других в каждом конкретном случае. Оптимальный выбор флюса достигается в результате тесного сотрудничества производителей электронной техники с поставщиками расходных материалов для пайки.
Лайкнуть
Твитнуть