Температурний профіль паяння та дефекти паяного з’єднання

У статті розглядається вплив параметрів пайки на властивості паяного з’єднання.

А. Мельниченко

На діаграмі (рис. 1), запропонованій професором Ishikawa і відомій також як fishbone diagram, показано безліч факторів, що впливають на якість паяного з’єднання. Видно, що такі параметри, як температурні профілі, швидкість конвеєра і склад газового середовища (повітря або азот), представляють собою тільки невелику частину факторів, що визначають результат процесу пайки.

Часто виникає питання: як необхідно змінити параметри пайки, щоб мінімізувати число дефектів (або частоту їх виникнення), і яким повинен бути ідеальний профіль пайки оплавленням? На жаль, однозначної відповіді немає. Механізми виникнення дефектів пайки настільки складні, що зміна однієї змінної часто взагалі може не відобразитися на кінцевому результаті. У деяких випадках лише зміниться частота появи дефекту.

Особливості діючих стандартів

Використовувані зазвичай стандарти, такі як IPC/JEDEC J-STD 20 D і IEC 60068-2-58, не містять вказівок про спосіб оптимізації профілю пайки. Вони лише вказують допустимі межі теплового впливу на компоненти, що мають різний рівень MSL (Moisture Sensitivity Level – рівень чутливості до дії вологи). У результаті можна тільки оцінити, витримає чи той чи інший компонент пайку з вибраним температурним профілем.

Тим не менш, у цих стандартах вказані температурні межі, за які не можна виходити, щоб отримати надійне паяне з’єднання. Наприклад, у стандарті IPC 20 D наведені граничні параметри температурного профілю для друкованих плат з використанням олов’яно-свинцевих і безсвинцевих припоїв. Однак число дефектів може значно зрости, якщо використовувати компоненти з високою чутливістю до дії вологи. Згідно зі стандартом IPC 20 D гранична швидкість зростання температури становить 4 °C/c, однак це неприйнятно для компонентів з високою чутливістю до дії вологи. Крім того, температура корпусу великих компонентів (товщиною більше 1.6 мм і об’ємом більше 2000 мм3) не повинна перевищувати 245 °C. Недотримання цих вимог може призвести до пошкодження корпусів компонентів (рис. 2).

Необхідно також критично ставитися до рекомендацій стандартів, що обмовляють тривалість перебування припою вище температури його плавлення (ліквідуса). Наприклад, для безсвинцевої пайки рекомендована тривалість становить від 60 до 150 с. Однак надмірне збільшення цієї тривалості сприяє зростанню вмісту інтерметалічних сполук, що може негативно вплинути на надійність паяного з’єднання. Практика показує, що тривалість перебування вище температури ліквідуса не повинна бути більше 90 с, що не узгоджується з рекомендаціями стандарту IPC 20 D.

Експерименти, проведені з безсвинцевим сплавом SnAgCu, показують, що збільшення часу пайки з 30 до 90 с впливає на вміст інтерметалічних сполук набагато більше, ніж збільшення пікової температури з 240 до 250 °C. Таким чином, точність відпрацювання температурного профілю повинна бути винятково високою.

Максимальна температура пайки визначається властивостями використовуваних компонентів і матеріалів, мінімальна – температурою плавлення припою (для сплаву SnAgCu – 217 °C) з урахуванням необхідного перегріву, що становить, як правило, близько 10 °C. Згідно з рекомендацією стандарту IEC TR 60068-2-580 (метод визначення необхідного температурного профілю безсвинцевої пайки) для утворення надійного паяного з’єднання достатньо виконати пайку при максимальній температурі 230 °C протягом 20 с.

Вплив температури пайки

З підвищенням температури пайки прискорюються процеси дифузії металів і утворення інтерметалічних сполук, часто що чинять позитивний вплив на процес змочування. При підвищенні пікової температури покращується змочування поверхонь припоєм, хоча одночасно збільшується і число кульок припою. Найімовірніше, це пояснюється тим, що густина і в’язкість розплавленого припою при підвищенні температури зменшуються. Крім того, під дією сили тяжіння компонент опускається на плату, в результаті відстань між ним і платою, тобто ширина капілярного проміжку під ним скорочується, що також сприяє покращенню змочування.

Іноді висловлюють припущення, що при високих пікових температурах спостерігається погіршення змочування, якщо використовуються компоненти з виводами, покритими сплавом AgPd (срібло-паладій). На рис. 3 відображені результати пайки при двох різних пікових температурах. При температурі 260 °C весь припій зібрався на виводі компонента з покриттям AgPd, в результаті чого сформувалося опукле паяне з’єднання (рис. 3, а) з мінімальним розтіканням по майданчику з покриттям NiAu (золото поверх нікелю). Це відбувається в результаті того, що при високій температурі виводи компонента змочуються краще, ніж майданчики плати. При зменшенні температури з одночасним збільшенням часу пайки змочуваність виводів і майданчиків стає приблизно однаковою, в результаті чого утворюється з’єднання більш правильної форми (рис. 3, b). На відміну від цього, збільшення пікової температури чинить позитивний вплив на зменшення об’єму порожнин у паяному з’єднанні. З підвищенням температури поверхневий натяг розплавленого припою зменшується, полегшуючи вихід газів на поверхню, в результаті число і об’єм порожнин скорочуються. Таким чином, не можна дати однозначної відповіді, яким чином слід змінити температуру пайки, щоб досягти оптимальних результатів і зменшити число дефектів. Оцінка в кожному випадку завжди проводиться відносно конкретного дефекту.

Підвищення температури друкованої плати пропорційне кількості абсорбованої нею теплоти, яка, в свою чергу, залежить від температури всередині паяльної печі і тривалості її впливу (що визначається швидкістю конвеєра). Однак, якщо потік тепла від печі до плати практично однорідний, то швидкість нагріву різних місць плати неоднакова через різну теплоємність встановлених на них компонентів.

При температурі 235 °C, оптимальній для пайки сферичних виводів корпусу BGA, рекомендована тривалість перебування вище температури ліквідуса становить 60 с. Однак, якщо теплоємність плати в місці розташування корпусу невелика, тривалість перебування вище температури ліквідуса може становити 90 с при піковій температурі 245 °C. Більш тривале перебування при високій температурі призводить до прискореного утворення інтерметалічних сполук. У результаті структури паяних з’єднань на різних платах відрізняються одна від одної.

Як правило, оптимальний час перебування при температурі ліквідуса становить порядку 30-90 с, але, в будь-якому випадку, він не повинен бути менше 20 і більше 120 с.

На рис. 4 зображений сферичний вивід з безсвинцевого сплаву SnAgCu, який був припаяний до плати з використанням олов’яно-свинцевої пасти при низькій температурі (а) і при температурі на 8 °C вище точки плавлення виводу 217 °С (б). Області виводу, що містять свинець, позначені червоним кольором. При занадто низькій температурі теплової енергії для плавлення виводу і утворення однорідного з’єднання було недостатньо. Крім того, виводи BGA не сплющилися, як це зазвичай буває під час пайки, оскільки відстань між корпусом BGA і платою залишилося незмінним. Таке паяне з’єднання менш надійне. Якщо, крім того, має місце вгнутість нижньої площини корпусу BGA, то ймовірність відсутності контакту між виводами і майданчиками значно зростає. Шляхом збільшення пікової температури і тривалості попереднього нагріву плати (для вирівнювання температури різних її ділянок) відстань між корпусом BGA і платою можна значно зменшити.

Теплова енергія QT, абсорбована паяним з’єднанням – важливий індикатор оцінки надійності. Ця енергія обчислюється як інтеграл температури T за час її впливу:

Час пайки оплавленням визначається швидкістю, з якою плата транспортується через паяльну піч. Зі збільшенням швидкості конвеєра час витримки зменшується, в результаті чого температура плат знижується. Тому швидкість конвеєра є важливим параметром для відпрацювання температурного профілю пайки оплавленням.

Аналізуючи результати експериментів та інші джерела інформації, можна сказати, що пікова температура профілю 235±5 °C найбільш оптимальна для пайки сплавом SnAgCu.

Швидкість нагріву друкованих плат

Той факт, що кінцевий результат пайки залежить не стільки від максимальної температури, скільки від теплової енергії, отриманої друкованою платою, підтверджується вимірюваннями параметрів електролітичних конденсаторів після пайки оплавленням в різних умовах. Так, наприклад, велика кількість теплоти, абсорбованої конденсаторами під час пайки в паровій фазі, призводить до більшої втрати ємності, ніж при конвекційній пайці.

При конвекційній пайці для запобігання виникнення «надгробків» (дефектів, при яких один край чіп-компонента піднімається над платою) дуже важлива рівномірність нагріву друкованих плат. Причиною утворення «надгробків» є те, що змочування припоєм одного з виводів компонента починається раніше, ніж іншого. Внаслідок того, що розташовані на платі майданчики мають різну теплоємність, для зменшення нерівномірності розподілу температури на поверхні плат необхідно забезпечити їх рівномірний нагрів. Збільшення часу перебування друкованих плат у паяльній печі, тобто зменшення швидкості конвеєра, сприяє кращому їх прогріву і, як наслідок, вирівнюванню їх температури.

Зі збільшенням швидкості нагріву друкованих плат проблема вирівнювання температури на їх поверхні все більш ускладнюється. Наприклад, сідлоподібний температурний профіль, що має ділянки з великою швидкістю зростання температури, часто призводить до збільшення числа «надгробків», ніж це має місце при лінійному профілі пайки.

Під час пайки в паровій фазі поява «надгробків» також може стати проблемою, оскільки в цьому випадку швидкість надходження теплової енергії до друкованої плати зростає в кілька разів.

Взаємний вплив різних факторів може призвести до несподіваних результатів. Наприклад, при пайці в атмосфері азоту число «надгробків» зі збільшенням швидкості конвеєра зростає, однак майже не змінюється при пайці в повітряній атмосфері.

Процеси окислення майданчиків плати і виводів компонентів у повітряній атмосфері збільшують тривалість процесу змочування їх припоєм, в результаті чого відмінності в умовах змочування різних виводів компонента зменшуються. Використання паяльних паст з кращими характеристиками змочування дозволяє досягти однаково малого відсотка виникнення «надгробків» як в атмосфері азоту, так і повітря.

Покращення змочування, що спостерігається при пайці оплавленням в атмосфері азоту, дозволяє також знизити пікову температуру, що є основною перевагою цього виду пайки. При цьому, використовувані матеріали і компоненти піддаються меншому температурному удару.

Висновок

У статті показані складні взаємозв’язки різних факторів, що впливають на результат пайки оплавленням. Тому сподіватися на просте рішення виникаючих проблем не доводиться. Для розробки оптимального температурного профілю необхідний комплексний облік усіх вимог процесу пайки і характеристик використовуваних матеріалів. І хоча стандарти і специфікації не повинні розглядатися як догма, оскільки вони не повністю враховують вимоги, що стосуються надійності кінцевого продукту, тим не менш, вони містять цінну інформацію, яку необхідно використовувати для розробки оптимального профілю пайки.