Требованием времени является минимизация габаритов электронных устройств и как следствие – электронных компонентов, в том числе пассивных.
Подтверждением этому служит постепенный переход от типоразмеров 0805 и 0603 к типоразмерам 0402 и 0201. В результате этого изделия становятся меньше и легче, что, безусловно, является положительным фактором. Однако, наряду с этим такой переход влечет за собой увеличение дефектов, возникающих при пайке печатных плат. Наиболее часто встречающимся дефектом является эффект возникновения “надгробий”, заключающийся в том, что в процессе пайки один край компонента поднимается над платой, отрываясь от нее, в то время как другой край остается припаянным к плате.
Причиной возникновения этого эффекта является неодинаковое поверхностное натяжение припоя на выводах компонента, возникающее вследствие ряда причин, а именно: различных условий нагревания или остывания припоя, неодинакового количества паяльной пасты на контактных площадках платы, различной паяемости выводов компонента или площадок на плате, неодинаковой смачиваемости выводов или площадок из-за неоднородности состава пасты или флюса, недостаточной точности установки компонента.
Для уменьшения или устранения этого эффекта существует ряд способов. Среди них: повышение точности изготовления трафарета, оптимизация разводки плат, более точная установка компонента, подбор со- става припоя и более точное соблюдение профиля пайки. Кроме того, эффективным способом является оптимизация формы апертуры трафарета. Рассмотрим эти способы более подробно.
Оптимизация формы апертуры трафарета
С некоторого времени для предотвращения возникновения “надгробий” вместо апертуры традиционной прямоугольной формы все большее распространение получает U-образная апертура (рис. 1). Нанесение паяльной пасты U-образной формы уменьшает
Рис. 1. Форма и размеры U_образной апертуры
вероятность сдвига компонентов во время пайки, что особенно проявляется при использовании компонентов цилиндрической формы.
Для определения размеров U-образной апертуры руководствуются следующим правилом: длина выемки должна быть равна половине общей длины, а ширина − одной трети общей ширины. Для лучшего отделения пасты края апертуры должны иметь закругление радиусом 0.005-0.010 дюйма.
Толщина слоя паяльной пасты
Толщина слоя пасты также влияет на возможность образования “надгробий”. Как правило, толщина трафарета составляет 4-6 мил (0.1-0.15 мм). Для компонентов типоразмера 0201 предпочтительнее иметь ее равной 4-5 мил.
Несмотря на то, что на плате размещаются компоненты разного типоразмера, толщина слоя пасты, как правило, для всей платы одинакова. Однако для компонентов типоразмера 0201 такая толщина оказывается излишней, что проявляется в увеличении сил, действующих на края компонентов, и может способствовать появлению “надгробий”.
Оптимизация разводки плат
Как правило, с увеличением ширины площадки вероятность образования “надгробий” увеличивается.
Расстояние между площадками также влияет на образование “надгробий”: с его увеличением частота проявления этого эффекта возрастает. Для оптимизации рас- положения компонентов и трассировки плат желательно тесное сотрудничество инженеров-конструкторов с разработчиками плат. В ходе исследований было установлено, что для компонентов типоразмера 0201 наиболее оптимальными для минимизации эффекта “надгробий” являются площадки размерами 12×15 мил (0.3×0.38 мм) с расстоянием между ними 9 мил (0.23 мм).
Одной из основных причин образования “надгробий” является отличие условий передачи тепла к выводам компонента из-за различного количества меди на площадках и дорожках, которые к ним под- водятся. Это известная проблема, приобретающая, однако, все большее значение по мере уменьшения размеров компонентов. Разработчик может влиять на процесс теплопередачи, создавая при подходе к выводу компонента тепловой фильтр для уменьшения распространения тепла или увеличивая ширину дорожки для его увеличения. На рис. 2 показан пример неодинаковой массы медных проводников, подведенных к выводам компонента.
Рис. 2. Пример неодинаковой массы медных проводников у выводов компонентов
Точность установки компонента
Точность установки компонентов также в значительной степени влияет на образование “надгробий”.
Особенно нежелателен сдвиг вдоль продольной оси компонента, т. е. тот случай, когда перекрытие одной из площадок корпусом компонента существенно превышает перекрытие другой площадки. Нередки случаи, когда оборудование для установки компонентов на платы работает на пределе своих возможностей и не может обеспечить требуемую точность при установке компонентов малых типоразмеров.
В большей степени, чем неточность установки компонентов, причиной возникновения “надгробий” является неточность нанесения паяльной пасты. При установке компонентов малых типоразмеров наиболее неблагоприятными являются случаи, когда смещение апертуры трафарета в одном направлении сочетается со сдвигом компонента в противоположном направлении.
Состав паяльной пасты
Применение стандартной паяльной пасты на основе легкоплавкого припоя Sn63/Pb37 также может способствовать возникновению “надгробий”. В отличие от других паст, при ее нагревании переход из твердой в жидкую фазу происходит достаточно быстро, без так называемой “вязкой” фазы. При этом увеличивается вероятность того, что при оплавлении пасты в некоторый момент времени разность сил поверхностного натяжения, действующих на выводы компонента, будет достаточной для отрыва одного из его краев от поверхности платы.
Для уменьшения вероятности подобных случаев следует выбирать пасты, в которых переход от твердой фазы к жидкой (диапазон плавления) происходит в более широком диапазоне температур. Эти пасты содержат, как правило, смесь двух различных припоев. Увеличение времени плавления, достигнутое за счет применения таких паст, позволяет уменьшить разность температур выводов компонента в процессе пайки, что обеспечивает одновременное смачивание их припоем и чем предотвращается возникновение “надгробий”. Такую паяльную пасту выпускает фирма AIM. Это паста SN63LT, имеющая диапазон плавления около 10 °С и тот же температурный профиль, что и стандартная паста. Поэтому при ее применении отсутствует необходимость переналадки оборудования. Испытания показали, что с применением паст с увеличенным диапазоном плавления обеспечивается та же прочность паяного соединения, что и при использовании стандартной пасты.
Следует упомянуть о том, что в настоящее время происходит постепенный переход к припоям, не со- держащим свинец. Эти припои обладают увеличенным по сравнению со стандартными поверхностным натяжением. Поэтому при их применении (а с июля 2006 года в развитых странах применение свинца в припоях будет запрещено) проблема борьбы с возникновением “надгробий” еще более обострится.
Профиль пайки
Еще одним фактором, влияющим на возникновение “надгробий”, является профиль пайки. При пайке печатных плат с высокой плотностью установки компонентов вероятность образования “надгробий” достаточно высока, поскольку нельзя избежать взаимного влияния близко расположенных компонентов с различными тепловыми характеристиками. Единственное, что можно предпринять в этом случае − увеличить время плавления припоя, чтобы во время перехода припоя от твердой фазы к жидкой разность температур различных участков платы была как можно меньше и силы поверхностного натяжения на выводах компонентов возрастали постепенно. Для этого рекомендуется при нагревании от 170 до 215 °С и охлаждении от 215 до 183 °С выдерживать скорость изменения температуры равной примерно 1-1.5 °С в секунду. Наиболее предпочтительно устанавливать в этом случае линейный профиль пайки, поскольку скорость изменения температуры при этом находится, как правило, в пре- делах 0.6-1.8 °С в секунду.
Таким образом, можно сказать, что вероятность возникновения “надгробий” увеличивается в тех случаях, когда на профиле пайки имеются участки с резким изменением температуры. Например, в печах с использованием для охлаждения азота могут наблюдаться случаи, когда на одной из сторон компонента отвердение припоя происходит раньше, чем на другой, чем создаются условия для возникновения “надгробий”.
Заключение
С уменьшением размеров компонентов борьба с возникновением “надгробий” становится все более насущной задачей. Хотя применение всех рассмотренных выше способов может уменьшить вероятность их возникновения, все же оптимизация формы апертуры трафарета остается, вероятно, наиболее действенным способом решения этой проблемы.
Лайкнути
Твітнути