ВИПРОБУВАННЯ НА ЗДАТНІСТЬ ДО ПАЙКИ: ДЛЯ ЧОГО І ЯК?

Метою проведення випробувань на здатність до пайки є визначення того, чи забезпечує компонент відповідний ступінь змочування, необхідний для утворення міцного з’єднання пайки.

Часте запитання: що таке тестування на здатність до пайки і яку функцію воно виконує. Випробування на здатність до пайки не є, як іноді вважають, попередньо підготовленим елементом, а мірою легкості, з якою можна зробити паяне з’єднання. Тести на паяння використовуються для оцінки паяння виводів компонентів, і їх результати відрізняються залежно від типу використаного припою: наприклад, при використанні різних сплавів, що не містять свинцю, здатність до паяння може значно відрізнятися від результатів випробувань для припоїв, що містять свинець.

Вступ

Ще в 1983 році Міністерство оборони США визначило, що понад 40% збоїв у військовій електроніці були електричними, і близько 50% з них були спричинені поганими паяними з’єднаннями. З’ясувалося, що покриття з нікелю (Ni) або олова (Sn) є пористими, і їм важко утворювати інтерметалічні шари, що дозволяє оксидам проникати до основного металу, що призводить до поганої цілісності паяних з’єднань і, отже, до поломки під час роботи машини. У результаті було створено стандарт тестування на здатність до пайки MIL-STD-883, щоб гарантувати, що всі компоненти у високонадійних додатках справді придатні для паяння.

Методи тестування на здатність до пайки

Метод тестування, описаний у стандарті MIL-STD-883 2003, є одним із найстаріших і найбільш широко використовуваних стандартів для тестування на здатність до пайки в промисловості збирання електроніки. Цей стандарт також забезпечує основу для наступного обговорення, яке містить більш детальну інформацію про те, як виконувати випробування припою. У стандарті MIL-STD-883 використовується метод пайки зануренням, для якого потрібне таке обладнання:

• тигель для припою достатнього об’єму, щоб зберегти припій при заданій температурі,
• обладнання для парового старіння для старіння зразків перед випробуванням,
• механізм занурення, здатний контролювати швидкість занурення та швидкість виходу, а також час перебування проводів у ванні
• система оптичного контролю та освітлення, що забезпечує принаймні 10-кратне збільшення

Навіщо тестувати здатність до пайки?

Тестування на здатність до пайки визначають здатність до паяння проводів компонентів, які мають бути з’єднані з іншою поверхнею припою за допомогою олов’яно-свинцевих (SnPb) або безсвинцевих припоїв. Метою проведення випробувань на здатність до пайки є визначення того, чи забезпечує компонент відповідний ступінь змочування, необхідний для утворення міцного з’єднання пайки. Поганий результат випробування на здатність до пайки вказує на те, що отримане з’єднання може бути не оптимальним. Тестування на здатність до пайки також є ефективним у різних аспектах виробництва друкованих плат, таких як оцінка різних покриттів друкованих плат, припоїв, паяльної пасти або флюсів.

Окрім споживчої електроніки, є багато галузей, які потребують напівпровідникових пристроїв із довшим життєвим циклом, наприклад, автомобільна промисловість, медицина, аерокосмічна та оборонна промисловість, які, серед іншого, вимагають тривалого зберігання компонентів. Скрізь, де потрібне тривале зберігання компонентів, важливо забезпечити надійність електронних компонентів, а результат випробування на здатність до пайки є ключовим показником якості.

Процедури тестування

Тести на здатність до пайки призначені для визначення того, наскільки добре розплавлений припій змочує поверхні, які можна паяти. Найпоширенішими категоріями тестів на здатність до спаювання є якісні та кількісні тести. Найпопулярнішим методом якісного тестування є метод занурення та перегляду, який передбачає суб’єктивне дослідження порівняльного аналізу досліджуваних зразків. Найпопулярнішим методом кількісного дослідження є метод балансу змочування, що можна перекласти як перевірка балансу змочування, що вимагає інтерпретації кривої змочування. Випробування балансу змочування вимірює силу змочування між розплавленим припоєм і поверхнею досліджуваного зразка як функцію часу. Паяні поверхні відрізняються за швидкістю та міцністю зчеплення, тому перевірка балансу змочування вимірює час змочування проводів (або доріжок) компонентів різними сплавами припою.

Випробування зануренням і візуальним оглядом — це метод, при якому досліджуваний зразок повністю занурюють у розплавлений припій, а потім візуально перевіряють. Випробувальний зразок зазвичай занурює оператор у ванну з розплавленим припоєм. Поверхні, що змочуються, спочатку змочуються флюсом, а потім повністю занурюються в розплавлений припій з подальшим візуальним оглядом.

Обладнання для старіння зразків використовується для імітації тривалого зберігання компонентів SMD/THT. Якщо в критично важливих додатках потрібне додаткове тестування, то також може використовуватися рентгенівська флуоресценція (XRF) для вимірювання товщини припою проводів компонентів. Іноді для аналізу інтерметалічного шару також використовується електронна мікроскопія (SEM).

Критерії прийому

Відповідно до стандарту MIL-STD-883 Метод 2003 основним критерієм прийому результатів тесту на здатність до пайки є те, що 95% зануреної частини виводів вкрито новим суцільним покриттям припою. Тому отвори, порожнечі, незмочена поверхня не повинні перевищувати 5% загальної площі занурених виводів.

Малюнок 1. Зразок пайки з пористістю (ліворуч) і зразок пайки без змочування (праворуч) © Hentec Industries

Окрім стандарту MIL-STD-883 Метод 2003, іншими популярними стандартами тестування на здатність до пайки є стандарт IPC J-STD-002, а також MIL-STD-202 Метод 208, J-STD-001 (Додаток до космічного пристрою) , J-STD-001ES, J-STD-003, JEDEC JESD22-B102 і MIL-STD-750 Метод 2026.

Якісні та кількісні тести

Як згадувалося вище, є два найпопулярніші методи тестування на здатність до пайки – це метод занурення та візуального огляду і метод балансу зволоження. Перший метод можна описати як якісний тест, який виконується шляхом порівняльного аналізу після занурення зразків у ванну з флюсом і розплавленим припоєм. Метод балансу змочування – це кількісний тест, заснований на інтерпретації кривої змочування, яка вимірює плавучість зразка. Для цього тесту також існує кілька стандартів тестування на здатність до пайки, але найпопулярнішими є MIL-STD-883 Метод 2003, IPC J-STD-002 і MIL-STD-202, Метод 208.

Хоча метод випробування балансу змочування є точним і вимірює силу змочування між розплавленим припоєм і тестовим зразком як функцію часу, він вимагає інтерпретації кривої змочування кваліфікованим персоналом у лабораторних умовах. Іншим недоліком є ​​те, що якщо система не відкалібрована належним чином або якщо тест виконується некваліфікованим персоналом неправильно, криві змочування можуть бути легко спотворені.

Перевага методу занурення та огляду полягає в тому, що він заснований на порівняльному аналізі, його може швидко виконати персонал з мінімальною підготовкою, а також вимагає значно менших капіталовкладень, ніж система перевірки балансу зволоження, яка є значно дорожчою.

Для деяких застосувань з високою надійністю можуть знадобитися додаткові тести на здатність до пайки. Наприклад, вони можуть включати старіння парою, яке використовується для випробувань в умовах, що імітують тривале зберігання.

Процедура випробування на здатність до пайки

Згідно з методом MIL-STD-883 Метод 2003, загальна процедура тестування на здатність до пайки складається з наступних кроків:

• належна підготовка зразків, яка не повинна включати протирання, очищення, зішкрібання або стирання виводів, що будуть тестуватися
• старіння зразків у паровій печі, яке полягає у витримці поверхонь, що підлягають випробуванню, дії водяної пари протягом восьми годин і їх висушуванні або шляхом нагрівання при 100 ° С протягом не більше однієї години в сухій атмосфері, або висушуванні повітрям при температурі навколишнього середовища протягом не менше п’ятнадцяти хвилин
• правильне нанесення флюсу на виводи
• занурення в розплавлений припій, що полягає в зануренні наконечників у статичну ванну з припоєм з рівномірною температурою 245°С ± 5°С.
• огляд виводів при 10-15 кратному збільшенні.

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