Robotic Hot Solder Dip (RHSD) – автоматизований процес занурення в гарячий припій – може бути відповідним засобом запобігання крихкості припою внаслідок забруднення золотом і мінімізації росту олов’яних вусів.
Багато критично важливих застосувань, у тому числі військова, безпекова, аерокосмічна, медична, телекомунікаційна інфраструктура та автомобільна продукція, вимагають суворих процесів для забезпечення надійних паяних з’єднань. Процеси можуть включати автоматизоване занурення в гарячий припій, щоб мінімізувати несприятливі наслідки крихкості золота, утворення олов’яних вусів або перетворення безсвинцевих компонентів на свинцеві.
Крихкість золота
Оскільки золото легко розчиняється в процесі пайки, воно може залишатися в паяному з’єднанні, послаблюючи його цілісність. Якщо розчинення золота відбувається у великому масштабі під час утворення рідкої фази сплаву припою, склад і механічні властивості отриманого паяного з’єднання можуть потенційно змінитися. Крихкість, спричинена золотом у паяних з’єднаннях олово-свинець (SnPb), є загальновизнаною причиною несправності. Зазвичай безсвинцеві припої, які використовіються, зокрема мідь-олово-срібло (SAC305) і мідь-олово-нікель (SN100C), зберігають свої механічні властивості краще в поєднанні з золотом завдяки більшому вмісту олова. Однак із збільшенням вмісту золота паяні з’єднання, що не містять свинцю, також погіршаться, що негативно вплине на надійність системи.
Ризик крихкості залежить від кількох факторів, у тому числі від кількості золота, яке можна вимити з покритих поверхонь, об’єму отриманого паяного з’єднання та процесу, у якому був виготовлений припій (хвильовий, селективний, оплавленням). У більшості випадків джерелом розчиненого золота є позолочені контакти компонентів, рідше це обробка друкованої плати (це може бути у випадку обробки ENIG або ENIPIG). Однак ці типи плат, як правило, занадто тонкі, щоб бути критичним джерелом розчиненого золота, оскільки їхня середня товщина нижче порогового значення, яке вважається мінімальним.
Видалення золота
Видалення шару золота з проводів компонентів зазвичай виконується шляхом попереднього лудіння, під час якого золото видаляється шляхом його розчинення в розплавленому припої в процесі, відомому як повторне лудіння. Перш ніж припаювати компоненти до плати, для видалення золота слід використовувати процес подвійного лудіння або пайку динамічною хвилею. Неправильне видалення золота з проводів компонентів перед монтажем потенційно може призвести до тріщин пайки або інших дефектів. Від стандарту IPC J-STD-001 Rev F, запровадженого в 2014 році, до поточного Rev H, зазначено, що золото має бути видалено з усіх продуктів класу 2 і 3 за таких умов:
- 95% площі проводів компонентів з наскрізними отворами з товщиною золота 2,54 мкм або більше,
- 95% розпиновок компонентів є поверхневим монтажем незалежно від товщини золота та
- з поверхні позолочених клем для пайки товщиною 2,54 мкм і більше.
Згідно з цими вказівками, видалення золота є обов’язковим для всіх електронних продуктів класу 2 і 3 і, отже, більше не обмежується аерокосмічним і військовим застосуванням.
Метод, який полегшує видалення золотого покриття з елементів SMT і елементів із наскрізними отворами, – це використання автоматизованого процесу занурення в гарячий припій (robotic hot solder dipping, RHSD). Рекомендується, щоб операція повторного лудіння проводилася за допомогою машини для лудіння свинцю з використанням контрольованого нанесення флюсу, попереднього нагрівання, одинарних або подвійних паяльних ванн, інертної атмосфери (азоту) і ретельного контролю процесу. Замість того, щоб вручну занурювати компоненти в паяльну ванну, рекомендується чітко визначений і контрольований процес, щоб допомогти зменшити забруднення припою, мінімізувати проблеми, пов’язані з незмочуванням, і покращити здатність до паяння.
Малюнок 1. Масив керамічних штифтів з високою термічною масою (ліворуч) і повторно луджені штифти після видалення золота (праворуч).
Автоматизовані апарати для занурення в гарячий припій (RHSD) можуть використовувати статичні або динамічні, одинарні або подвійні паяльні ванни. Перший тигель використовується для видалення золота, оксидів та інших залишків, а другий використовується для точного контролю глибини пайки. Інертна атмосфера азоту покращує зовнішній вигляд отриманого припою, пом’якшуючи утворення бурульок, містків і зменшуючи накопичення шлаку. Слід контролювати занурення проводів компонентів у флюс і припій, дозволяючи контролювати глибину занурення. У другій паяльній ємності швидкість, з якою компонент виймається, контролюється для контролю товщини припою з олов’яним паяльником. Паяльні ванни слід регулярно перевіряти на наявність золота, міді, нікелю та інших забруднень.
Олов’яні вуси
Феномен олов’яних вусів виникає в системах, які використовують для паяння сплави, що містять елементи з низькою температурою плавлення, такі як олово (Sn), кадмій (Cd) або індій (In), але це явище найчастіше виникає у випадку олова. Історично проблеми олов’яних вусів уникали шляхом додавання свинцю (Pb) до припою, а також обробкою друкованих плат HASL (hot air solder leveled). Однак, оскільки свинець вважався небезпечною речовиною і його використання було заборонено, свинцевий процес тепер використовується лише у виняткових випадках. Олов’яні вуса становлять пряму загрозу для надійності систем, оскільки вони проводять електрику і можуть призвести до короткого замикання.
Вуса можуть виростати на поверхні мідних проводів, контактних площадок або мідних підкладок, оброблених припоями з низькою температурою плавлення, що містять олово (Sn), кадмій (Cd), індій (In), цинк (Zn) або сурму (Sb). Дослідження показали, що за певних умов вуса будуть рости навіть з поверхні олова та свинцю (SnPb), але через присутність свинцю їх довжина зазвичай буде коротшою.
Малюнок 2. Зростання олов’яних вусів на покритих проводах (ліворуч) і електричне коротке замикання, спричинене їх наявністю (праворуч).
Зростання олов’яних вусів може відбуватися за стандартних температур навколишнього середовища. Було виявлено, що олов’яні вуса досягають довжини 0,025 дюйма (0,635 мм) на луджених компонентах, які зберігаються протягом приблизно 4 місяців за умов навколишнього середовища.
Часто задають питання, чи запобігає захисне покриття росту олов’яних вусів. Немає жодного відомого захисного покриття, яке б запобігло зростанню олов’яних вусів на покритих оловом поверхнях. З іншого боку, правильно нанесене захисне покриття допомагає уникнути електричних коротких замикань, спричинених олов’яними вусами. Встановлено, що покриття Parylene C і силіконові покриття є найефективнішими в інгібуванні росту олов’яних вусів, тоді як акрилові покриття, як правило, найменш ефективні. Різниця полягає в їх твердості: твердіші покриття, як правило, ефективніше зупиняють поширення олов’яних вусів через більшу силу, необхідну для проникнення в них.
Існують певні умови, які сприяють зростанню олов’яних вусів, включаючи, але не обмежуючись, тонку олов’яну обробку, залишкові напруги, що виникають під час процесу лудіння, або недостатнє утворення інтерметалічного шару під час гальванічного нанесення. У всіх луджених мідних сплавах інтерметалічні сполуки мідь-олово Cu6Sn5 або Cu3Sn утворюються на межі розділу між оловом і основним металом. Тонкі шари олова більш сприйнятливі до зростання вусів, оскільки вони спричиняють вищі напруги стиску порівняно з більш товстими шарами.
Запобігання утворенню олов’яних вусів
Згідно з дослідженням iNEMI, щоб зменшити ризик появи олов’яних вусів на мідних поверхнях, рекомендується використовувати друковані плати з нікель-паладієвим золотом (NiPdAu), нікель-паладієм (NiPd), нікелевим імерсійним золотом (ENIG) або нікелевим золото (NiAu). В якості альтернативи можна використовувати матове олов’яне покриття за умови, що мінімальна товщина покриття становить 6 мкм (мікрон).
Більш надійним методом запобігання появі олов’яних вусів є автоматизована обробка гарячим припоєм компонентів перед монтажем друкованої плати, яка видаляє 100% чистого олов’яного покриття з контактів і замінює його сполуками олова та свинцю, тим самим запобігаючи утворенню олов’яних вусів. Автоматизована обробка зануренням у гарячий припій може виконуватися на всіх компонентах з наскрізним отвором і поверхневим монтажем, включаючи аксіальні/радіальні компоненти, компоненти SIP, DIP, SOIC, SOT, QFP, а також з’єднувачі з наскрізним отвором і SMT.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнути
Твітнути