Контроль якості паяльної пасти

06.02.2024 |

У статті описано основні механізми погіршення властивостей паяльної пасти, а також стратегії та методи контролю її якості.

Контроль якості паяльної пасти має бути частиною загальної стратегії контролю якості, спрямованої на забезпечення безпомилкового виробничого процесу. Виявлення дефектів після друку або пайки оплавленням часто буває надто пізно, оскільки повторний друк або переробка завжди дорогі, а також можуть вплинути на надійність збірки. Надійний контроль якості не тільки паяльної пасти, але й усіх матеріалів у процесі виробництва має вирішальне значення для забезпечення остаточної надійності систем.

Довговічність паяльної пасти

Як і звичайне молоко, паяльна паста є продуктом, який швидко псується, і тому має відповідний термін придатності. Чому паяльна паста взагалі має термін придатності? Щоб відповісти на це питання, варто повернутися до основ і розглянути склад і функції паяльної пасти. Паяльну пасту виготовляють із суспензії порошку припою та флюсу, де основне призначення флюсу – видаляти оксиди з контактних площадок друкованих плат, проводів компонентів і кульок паяльної пасти під час стадії паяння оплавленням. Ця реакція відбувається в основному під час процесу пайки оплавленням, але вона також відбувається повільніше під час зберігання пасти.

Реакція між флюсом і порошком припою є основним фактором, що обмежує термін придатності пасти. Інші фактори, що сприяють руйнуванню пасти, включають випаровування розчинників і поглинання вологи під час відкриття, наприклад, коли паяльна паста знаходиться на трафареті під час друку.

Всі ці процеси, що впливають на довговічність паяльної пасти і викликають зміну її властивостей, відбуваються поступово. Незважаючи на те, що виробники пасти можуть точно оцінити термін корисної експлуатації пасти, будь-які значні зміни в її продуктивності через поводження, зміни навколишнього середовища (наприклад, вологість), її склад тощо можуть скоротити очікуваний раніше термін придатності пасти. У виробничих операціях із вузькими технологічними вікнами паста може бути непридатною протягом усього терміну придатності, навіть до того, як зміни в паяльній пасті через вплив навколишнього середовища спричинять неприпустимий рівень дефектів. Оскільки друк із дрібним кроком для мініатюризації знову розсунув межі процесу друку паяльною пастою, її властивості тепер стають набагато більш поширеною проблемою.

Основні механізми деградації паяльної пасти

Паяльні пасти руйнуються через три основні причини:

  • Флюс-порошкова реакція
  • Випаровування розчинників флюсу
  • Вбирання вологи в паяльну пасту

Взаємодія флюс-порошок

Реакція, яка відбувається між флюсом і порошком під час зберігання, впливає на якість паяльної пасти різними способами. У міру прогресування реакції активатор флюсу зношується і може зменшити здатність паяльної пасти видаляти оксиди, спричиняючи дефекти зчеплення або проблеми з недостатнім зволоженням. Ця реакція також утворює солі металів, які збільшують в’язкість паяльної пасти та можуть спричинити проблеми з її друком. У екстремальних випадках активатор флюсу може повністю видалити оксидний шар на поверхні порошкового припою, спричиняючи його злипання навіть у холодному стані (тобто при температурі зберігання) і утворюючи тверді шматки, які можуть забити отвори трафарету. Оскільки пасти на основі більш дрібних порошків із більшою контактною поверхнею між кульками та флюсом все частіше використовуються, реакція між цими інгредієнтами стає ще більш вираженою.

У зв’язку з прискоренням реакції флюсу з порошком при підвищених температурах паяльну пасту слід зберігати в холодному місці. Якщо в холодильнику, де зберігається паяльна паста, не підтримується належна температура зберігання або паста нагрівається під час транспортування, деградація паяльної пасти прискорюється.

Випаровування розчинника

Розчинники в паяльній пасті необхідні для правильного виконання етапів друку та оплавлення. Під впливом повітря розчинники у флюсі паяльної пасти можуть випаровуватися та висушувати пасту, підвищуючи її в’язкість і спричиняючи недруковані контактні площадки або інші проблеми друку. Без розчинників активатор флюсу може не мати доступу до оксидів, що, у свою чергу, спричиняє проблеми зі змочуваністю під час етапу оплавлення.

Випаровування розчинника відбувається легше в середовищі з низькою вологістю або коли паяльна паста піддається впливу повітря під час друку.

Поглинання вологи

Флюс припою гігроскопічний і з часом вбирає вологу з повітря. Залежно від хімічного складу флюсу вологість може підвищувати або зменшувати в’язкість паяльної пасти. Поглинання вологи є поширеною причиною дефектів утворення кульок припою, розбризкування пасти та, у випадку поглинання великої кількості вологи, також дефектів пустот.

Поглинання вологи паяльною пастою легше відбувається в умовах високої вологості або коли паяльна паста піддається впливу повітря під час друку. Якщо паяльна паста холодніша, ніж навколишнє середовище, наприклад, коли контейнер відкривається до того, як він досягне кімнатної температури, волога також може утворюватися через конденсацію.

Практичні стратегії контролю якості паяльної пасти

Стандарт IPC-J-STD-005 визначає критерії прийнятності паяльної пасти в процесі монтажу. Хоча цей стандарт визначає ретельний набір випробувань, корисних для первинної кваліфікації, було б просто неможливо провести повну серію випробувань на кожному контейнері паяльної пасти до того, як вона буде використана на виробництві. Три методи, які є найбільш корисними для перевірки якості паяльної пасти, це тестування кульок припою, вимірювання в’язкості та електрохімічна імпедансна спектроскопія (electrochemical impedance spectroscopy, EIS).

Тестування кульок припою (Solder Ball Test)

Тестування кульок припою, визначене стандартом IPC-TM-650 2.4.43, є швидким тестом, який вказує на здатність паяльної пасти зливатися під час пайки оплавленням. Цей метод вказує на три основні механізми деградації пасти, згадані вище. Якщо реакція флюс-порошок споживає занадто багато активатора флюсу або розчинники випаровуються, порошок припою не буде зливатися, щоб утворити одну кульку припою. Якщо паяльна паста намокне, можуть виникнути бризки припою.

Тест кульок припою швидкий і недорогий, але його успіх значною мірою залежить від підготовки оператора. Крім того, це якісний тест, а не кількісний і, отже, підлягає інтерпретації.

В’язкість

Вимірювання в’язкості паяльної пасти, виконане відповідно до вимог стандарту IPC-TM-650 2.4.34, може вказувати на погіршення якості паяльної пасти. Ця техніка зазвичай використовується виробниками паяльної пасти під час повторної сертифікації паяльної пасти після закінчення терміну придатності. Цей метод виявляє загальні механізми деградації, які обмежують термін придатності паяльної пасти. Якщо реакція флюсу з порошком зайшла занадто далеко або розчинники випарувалися, в’язкість пасти збільшиться. Вища в’язкість є прямою причиною деяких помилок друку, таких як ненадруковані контактні площадки або недостатнє нанесення пасти.

Випробування на в’язкість відбувається відносно швидко, але вимагає використання великої кількості паяльної пасти, як визначено в стандарті IPC-TM-650 2.4.34. Віскозиметри забезпечують кількісну індикацію якості паяльної пасти, але часто мають значну варіабельність вимірювань. Реометри також можна використовувати для вимірювання в’язкості паяльної пасти за допомогою невеликого зразка паяльної пасти, але вони дорогі та потребують спеціального навчання для надійного використання, що робить цей метод непрактичним для регулярних цілей контролю якості виробництва.

Електрохімічна імпедансна спектроскопія

Електрохімічна імпедансна спектроскопія (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) забезпечує кількісні показники якості паяльної пасти, отримані шляхом моніторингу основних хімічних реакцій, що відбуваються в паяльній пасті. Ця техніка демонструє основні механізми деградації паяльної пасти, такі як випаровування розчинника, поглинання вологи та взаємодія між флюсом і порошком.

Вимірювання EIS швидкі, вимагають мінімального навчання та можуть виконуватися за допомогою портативного вимірювального приладу в цеху, наприклад Vision MARK-1 від Insituware.

Після виконання вимірювання EIS за допомогою Vision MARK-1 до паяльної пасти подається невеликий електричний сигнал і вимірюється струмовий відгук. Результати представлені у вигляді коефіцієнта флюсу (flux coefficient, FC), діелектричних властивостей флюсу та коефіцієнта реактивності порошку (powder reactivity coefficient, PRC), який описує взаємодію між флюсом і порошком.

Ці властивості пов’язані з продуктивністю паяльної пасти при друку та паянні оплавленням, а результати вимірювань можна негайно переглянути на екрані. Вимірювання автоматично синхронізуються з онлайн-додатком SPC Insituware, де можна переглядати поведінку та моделі матеріалу на основі кількох вимірювань, зроблених у різний час.

Створіть індивідуальну програму контролю якості

Незалежно від підходу, найважливішим етапом контролю якості паяльної пасти є контроль її параметрів безпосередньо на виробництві. Недостатньо покладатися лише на термін придатності паяльної пасти, оскільки поводження, умови зберігання та вплив навколишнього середовища можуть змінити ефективність паяльної пасти. Регулярне вимірювання матеріалів на виробництві має важливе значення для створення чудової програми контролю якості та встановлення надійного виробничого процесу.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl