Температурный профиль пайки и дефекты паяного соединения

В статье рассматривает­ся влияние параметров пайки на свойства паяного соединения.

А. Мельниченко

На диаграмме (рис. 1), предложенной про­фессором Ishikawa и известной также как fish­bone diagram, показано множество факторов, влияющих на качество паяного соединения. Видно, что такие параметры, как температур­ные профили, скорость конвейера и состав га­зовой среды (воздух или азот), представляют собой только небольшую часть факторов, опре­деляющих результат процесса пайки.

Часто возникает вопрос: как необходимо из­менить параметры пайки, чтобы минимизиро­вать число дефектов (или частоту их возникнове­ния), и каким должен быть идеальный профиль пайки оплавлением? К сожалению, однозначно­го ответа нет. Механизмы возникновения дефек­тов пайки настолько сложны, что изменение од­ной переменной часто вообще может не отразить­ся на конечном результате. В некоторых случаях лишь изменится частота появления дефекта.

Рис. 1. Факторы, влияющие на результат пайки (диаграмма профессора Ishikawa)

ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИХ СТАНДАРТОВ

Используемые обычно стандарты, такие как IPC/JEDEC J-STD 20 D и IEC 60068-2-58, не содержат указаний о способе оптимизации профиля пайки. Они лишь указывают допус­тимые пределы теплового воздействия на ком­поненты, имеющие различный уровень MSL (Moisture Sensitivity Level – уровень чувстви­тельности к действию влаги). В результате можно только оценить, выдержит ли тот или иной компонент пайку с выбранным темпера­турным профилем.

Тем не менее, в этих стандартах указаны температурные пределы, за которые нельзя выходить, чтобы получить надежное паяное соединение. К примеру, в стандарте IPC 20 D приведены предельные параметры темпера­турного профиля для печатных плат с исполь­зованием оловянно-свинцовых и бессвинцовых припоев. Однако число дефектов может значительно возрасти, если использовать ком­поненты с высокой чувствительностью к действию влаги. Согласно стандарту IPC 20 D предельная скорость роста температуры сос­тавляет 4 °C/c, однако это неприемлемо для компонентов с высокой чувствительностью к действию влаги. Кроме того, температура корпуса больших компонентов (толщиной более 1.6 мм и объемом более 2000 мм3) не должна превышать 245 °C. Несоблюдение этих требо­ваний может привести к повреждению корпу­сов компонентов (рис. 2).

Рис. 2. Ультразвуковое изображение компонента (уровень MSL 4): до пайки (а) и после пайки (b)

Необходимо также критически относиться к рекомендациям стандартов, оговаривающим длительность пребывания припоя выше темпе­ратуры его плавления (ликвидуса). Например, для бессвинцовой пайки рекомендуемая дли­тельность составляет от 60 до 150 с. Однако чрезмерное увеличение этой длительности спо­собствует росту содержания интерметалличес­ких соединений, что может отрицательно по­влиять на надежность паяного соединения. Практика показывает, что длительность пре­бывания выше температуры ликвидуса не должна быть более 90 с, что не согласуется с рекомендациями стандарта IPC 20 D.

Эксперименты, проведенные с бессвинцовым сплавом SnAgCu, показывают, что увели­чение времени пайки с 30 до 90 с влияет на со­держание интерметаллических соединений гораздо больше, чем увеличение пиковой тем­пературы с 240 до 250 °C. Таким образом, точ­ность отработки температурного профиля должна быть исключительно высокой.

Максимальная температура пайки опреде­ляется свойствами используемых компонен­тов и материалов, минимальная – температу­рой плавления припоя (для сплава SnAgCu – 217 °C) с учетом необходимого перегрева, сос­тавляющего, как правило, около 10 °C. Соглас­но рекомендации стандарта IEC TR 60068-2­580 (метод определения необходимого температурного профиля бессвинцовой пайки) для образования надежного паяного соединения достаточно выполнить пайку при максималь­ной температуре 230 °C в течение 20 с.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПАЙКИ

С повышением температуры пайки ускоря­ются процессы диффузии металлов и образова­ния интерметаллических соединений, часто оказывающие положительное влияние на про­цесс смачивания. При повышении пиковой температуры улучшается смачивание поверх­ностей припоем, хотя одновременно увеличи­вается и число шариков припоя. Вероятнее всего, это объясняется тем, что плотность и вязкость расплавленного припоя при повыше­нии температуры уменьшаются. Кроме того, под действием силы тяжести компонент опус­кается на плату, в результате расстояние меж­ду ним и платой, т.е. ширина капиллярного промежутка под ним сокращается, что также способствует улучшению смачивания.

Иногда высказывают предположение, что при высоких пиковых температурах наблюдает­ся ухудшение смачивания, если используются компоненты с выводами, покрытыми сплавом AgPd (серебро-палладий). На рис. 3 отображены результаты пайки при двух различных пиковых температурах. При температуре 260 °C весь при­пой собрался на выводе компонента с покрыти­ем AgPd, в результате чего сформировалось вы­пуклое паяное соединение (рис. 3, а) с минимальным растеканием по площадке с покрыти­ем NiAu (золото поверх никеля). Это происхо­дит в результате того, что при высокой темпе­ратуре выводы компонента смачиваются луч­ше, чем площадки платы. При уменьшении температуры с одновременным увеличением времени пайки смачиваемость выводов и пло­щадок становится примерно одинаковой, в ре­зультате чего образуется соединение более пра­вильной формы (рис. 3, b). В отличие от этого, увеличение пиковой температуры оказывает положительное влияние на уменьшение объе­ма пустот в паяном соединении. С повышением температуры поверхностное натяжение рас­плавленного припоя уменьшается, облегчая выход газов на поверхность, в результате число и объем пустот сокращаются. Таким образом, нельзя дать однозначный ответ, каким образом следует изменить температуру пайки, чтобы достичь оптимальных результатов и умень­шить число дефектов. Оценка в каждом случае всегда производится относительно конкретного дефекта.

Повышение температуры печатной платы пропорционально количеству абсорбированно­го ею тепла, которое в свою очередь, зависит от температуры внутри паяльной печи и длитель­ности ее воздействия (определяемой скоростью конвейера). Однако, если поток тепла от печи к плате практически однороден, то скорость на­грева разных мест платы неодинакова из-за различной теплоемкости установленных на них компонентов.

При температуре 235 °C, оптимальной для пайки сферических выводов корпуса BGA, ре­комендуемая длительность пребывания выше температуры ликвидуса составляет 60 с. Одна­ко, если теплоемкость платы в месте располо­жения корпуса невелика, длительность пребы­вания выше температуры ликвидуса может составить 90 с при пиковой температуре 245 °C. Более длительное пребывание при вы­сокой температуре приводит к ускоренному образованию интерметаллических соедине­ний. В результате структуры паяных соедине­ний на разных платах отличаются одна от дру­гой.

Как правило, оптимальное время пребыва­ния при температуре ликвидуса составляет по­рядка 30-90 с, но, в любом случае, оно не долж­но быть менее 20 и более 120 с.

Рис. 3. Разрез вывода компонента (покрытие AgPd), припаянного к площадке печатной платы при пиковой температуре 260 °C (а) и 240 °C (b)

Рис. 4. Разрез сферического вывода из сплава SnAgCu, припаянного к плате оловянно-свинцовым припоем при пиковой температуре 203 °C (а) и 225 °C (b)

На рис. 4 изображен сферический вывод из бессвинцового сплава SnAgCu, который был припаян к плате с использованием оловянно- свинцовой пасты при низкой температуре (а) и при температуре на 8 °C выше точки плавле­ния вывода 217 °С (б). Области вывода, содер­жащие свинец, отмечены красным цветом. При слишком низкой температуре тепловой энергии для плавления вывода и образования однородного соединения было недостаточно. Кроме того, выводы BGA не сплющились, как это обычно бывает во время пайки, так как расстояние между корпусом BGA и платой ос­талось неизменным. Такое паяное соединение менее надежно. Если, к тому же, имеет место вогнутость нижней плоскости корпуса BGA, то вероятность отсутствия контакта между выводами и площадками значительно возрас­тает. Путем увеличения пиковой температуры и длительности предварительного нагрева платы (для выравнивания температуры раз­личных ее участков) расстояние между корпу­сом BGA и платой можно значительно умень­шить.

Тепловая энергия QT, абсорбированная пая­ным соединением – важный индикатор оцен­ки надежности. Эта энергия вычисляется как интеграл температуры T за время ее воздей­ствия:

Время пайки оплавлением определяется скоростью, с которой плата транспортируется через паяльную печь. С увеличением скорости конвейера время выдержки уменьшается, в ре­зультате чего температура плат снижается. Поэтому скорость конвейера является важным параметром для отработки температурного профиля пайки оплавлением.

Анализируя результаты экспериментов и другие источники информации, можно ска­зать, что пиковая температура профиля 235±5 °C наиболее оптимальна для пайки сплавом SnAgCu.

СКОРОСТЬ НАГРЕВА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Тот факт, что конечный результат пайки за­висит не столько от максимальной температу­ры, сколько от тепловой энергии, полученной печатной платой, подтверждается измерения­ми параметров электролитических конденса­торов после пайки оплавлением в различных условиях. Так, например, большое количество теплоты, абсорбированной конденсаторами во время пайки в паровой фазе, приводит к боль­шей потере емкости, чем при конвекционной пайке.

При конвекционной пайке для предотвра­щения возникновения “надгробий” (дефек­тов, при которых один край чип-компонента поднимается над платой) очень важна равно­мерность нагрева печатных плат. Причиной образования “надгробий” является то, что смачивание припоем одного из выводов ком­понента начинается раньше, чем другого. Вследствие того, что расположенные на плате площадки имеют различную теплоемкость, для уменьшения неравномерности распреде­ления температуры на поверхности плат необ­ходимо обеспечить их равномерный нагрев. Увеличение времени пребывания печатных плат в паяльной печи, т.е. уменьшение ско­рости конвейера, способствует лучшему их прогреву и, как следствие, выравниванию их температуры.

С увеличением скорости нагрева печатных плат проблема выравнивания температуры на их поверхности все более усложняется. Напри­мер, седлообразный температурный профиль, имеющий участки с большой скоростью роста температуры, часто приводит к увеличению числа “надгробий”, чем это имеет место при линейном профиле пайки.

Во время пайки в паровой фазе появление “надгробий” также может стать проблемой, так как в этом случае скорость поступления тепловой энергии к печатной плате возрастает в несколько раз.

Взаимовлияние различных факторов мо­жет привести к неожиданным результатам. Например, при пайке в атмосфере азота число “надгробий” с увеличением скорости конвейе­ра возрастает, однако почти не изменяется при пайке в воздушной атмосфере.

Процессы окисления площадок платы и вы­водов компонентов в воздушной атмосфере увеличивают длительность процесса смачива­ния их припоем, в результате чего различия в условиях смачивания разных выводов компо­нента уменьшаются. Использование паяльных паст с лучшими характеристиками смачива­ния позволяет достичь одинаково малого про­цента возникновения “надгробий” как в атмос­фере азота, так и воздуха.

Улучшение смачивания, наблюдаемое при пайке оплавлением в атмосфере азота, позво­ляет также снизить пиковую температуру, что является основным преимуществом этого вида пайки. При этом, используемые материалы и компоненты подвергаются меньшему темпера­турному удару.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье показаны сложные взаимосвязи различных факторов, влияющих на результат пайки оплавлением. Поэтому надеяться на простое решение возникающих проблем не приходится. Для разработки оптимального температурного профиля необходим комплекс­ный учет всех требований процесса пайки и ха­рактеристик используемых материалов. И хо­тя стандарты и спецификации не должны рас­сматриваться как догма, так как они не вполне учитывают требования, касающиеся надеж­ности конечного продукта, тем не менее, они содержат ценную информацию, которую необ­ходимо использовать для разработки опти­мального профиля пайки.