Основные факторы, влияющие на качество пайки при применении паяльных паст SnAgCu

Йорг Тродлер

Вольфганг Шмидт

Андрей Новиков

Установление новых стандартов для паяльных паст

Тестовая печатная плата Benchmarker II

Для определения свойств обработки систем паяльных паст была спроектирована новая стандартная печатная плата (рис. 1). С ее помощью могут быть исследованы:

• качество печати паяльной пасты:
• линейное разрешение;
• печать пасты после паузы;
• отпечатки паяльной пасты для различных форм компонентов;
• качество оплавления:
• смачивание;
• стабильность формы отпечатков пасты при повышенной температуре (hot slump);
• растекание;
• тест на разбрызгивание припоя на паяльной маске;
• прочие качества:
• разбрызгивание припоя (на пассивных компонентах);
• эффект «надгробного камня»;
• образование пустот в паяных соединениях;
• контактирование.

Данная печатная плата применяется в основном для тестовой процедуры с целью сравнения различных систем паяльных паст и оценки модификации паяльной пасты.

Трафаретная печать

Для сравнительных испытаний, как правило, используются постоянные параметры печати паяльной пасты [1]:

• скорость ракеля: 50 мм/с;
• скорость отрыва трафарета: 10 мм/с;
• толщина трафарета: 150 мкм;
• давление ракеля: 50 Н (при длине ракеля 200 мм).

Иногда бывает необходимо дополнительное согласование отдельных параметров печати. Очистка трафарета производится после каждого десятого процесса печати с использованием специального отмывочного средства.

Линейное разрешение

Линейное разрешение определяется на большой металлизированной поверхности. Линии паяльной пасты наносятся с вариацией ширины и расстояния между соседними линиями от 120 до 300 мкм с шагом изменения 20 мкм (рис. 2). Линейным разрешением является при этом наименьший размер без дефектов печати. Дефектами являются прерванные линии или перемычки пасты (рис. 3).

Отпечатки пасты для различных компонентов

В данном сравнительном исследовании были проанализированы различные отпечатки паяльной пасты с помощью 2^1/2-мерной инспекции. Этот метод не позволяет определить абсолютное значение объема отпечатков, но может быть использован для сравнительного анализа. Были проанализированы отпечатки пасты для следующих компонентов:

• 0,8 мм 100 Pin-BGA;
• 0,5 мм 56 Pin-CSP;
• 1 мм 196 Pin-BGA.

На большую металлизированную поверхность были также нанесены отпечатки пасты для компонента QFP сшагом 0,4 и 0,5 мм и для компонента 208 Pin-QFP с шагом 0,5 и 0,65 мм — для учета узких и широких контактных площадок.

Пайка оплавлением

Качество пайки может быть также протестировано с помощью печатной платы Benchmarker II.

Смачивание

Это качество определяется углом смачивания или растекания [2]. Для исследования смачивания были нанесены отпечатки пасты на большую металлизированную поверхность (Wetting A), с постепенным увеличением расстояния между ними (рис. 4). После процесса пайки были подсчитаны области, которые соединились. Для максимального приближения исследований свойств смачивания к практике на тестовой плате были также размещены еще три области (Wetting B, C и D), которые представляют собой контактные площадки для различных форм компонентов. На эти контактные площадки наносились отпечатки паяльной пасты разной площади (рис. 5–7). После оплавления пасты были учтены площадки, полностью смоченные припоем. При этом проводилась дифференцированная оценка по различным поверхностям и средам пайки (рис. 8). Сумма отдельных результатов смачивания описывает свойства смачивания для определенных систем паяльных паст.

Дефекты пайки

При производстве электронных узлов наблюдаются два дефекта, которые периодически возникают вновь: разбрызгивание припоя и эффект «надгробного камня» у пассивных компонентов. Для статистического подкрепления влияния различных факторов рекомендуется использовать специальные тестовые печатные платы, например Benchmarker II. При исследовании на такую плату были нанесены различные отпечатки паяльной пасты для пассивных компонентов, в том числе с определенным смещением, а результаты проанализированы после оплавления (рис. 9).

Для общей оценки паяльной пасты регистрируются все возникающие дефекты. С помощью данной тестовой платы может быть также проведен тест на разбрызгивание припоя на паяльной маске. Отпечаток пасты при этом значительно превышает площадь контактной площадки. Специальные структуры платы для тестирования контактов внутрисхемного контроля (In-Circuit-Test), для теста на растекание и стабильность отпечатков пасты при повышенной температуре в соответствии со стандартами IPC, а также область для инспекции пустот в паяных соединениях дополняют выше описанные использованные методы анализа.

Статистический план испытаний

Переменные параметры печати

Для определения границ при трафаретной печати варьировались следующие параметры:

• давление ракеля: 0,1–15 кг;
• температура: 20–32 °С;
• скорость отрыва трафарета: 0,1–100 мм/с;
• скорость ракеля: 5–199 мм/с.

К постоянным параметрам относятся используемый автомат трафаретной печати, трафарет (толщина 150 мкм, лазерная обработка) и тестируемая паяльная паста из одного производственного цикла.

Проведение экспериментов

Для каждого переменного параметра печати необходимы три значения для установления линейной зависимости. Всего было необходимо провести 13 экспериментов. Один из них (его условия — давление ракеля 75 Н, температура 26 °C и скорость ракеля 102 мм/с) был проведен три раза. Повторение позволяет статистически определить точность полученных данных за счет оценки их разброса. Конечными величинами были выбраны линейное разрешение и степень покрытия на компонентах 0,8 мм 100 Pin-BGA, 0,5 мм 56 Pin-CSP и QFP с шагом 0,65 и 0,5 мм.

Результаты по главным факторам влияния

С помощью программы статистического планирования испытаний были получены данные, которые не напрямую соответствуют абсолютным значениям установленных параметров печати. Для наглядного объяснения результаты представлены в виде диаграмм. При постоянном давлении ракеля 75,5 Н и скорости отрыва трафарета 50,05 мм/с были зафиксированы изменения покрытия паяльной пастой для различных компонентов в зависимости от скорости ракеля и температуры (рис. 10). Более сильная зависимость при этом существует от скорости ракеля. Влияние температуры по сравнению со скоростью ракеля можно считать второстепенным.

На рис. 11 представлена зависимость от давления ракеля и скорости отрыва трафарета. Скорость ракеля составляет при этом 102,5 мм/с, а температура— 26 °C. В отличие от скорости ракеля лучшее покрытие паяльной пастой может быть достигнуто при увеличении давления ракеля и скорости отрыва трафарета. Результаты на компоненте CSP отличаются обратной зависимостью. Этот факт констатирует достижение нижней границы данной системы при нанесении паяльной пасты на структуры печатной платы с минимальными размерами.

При тестировании линейного разрешения сравнивались 2-й и 10-й процессы печати.

Здесь также было исследовано влияние скорости ракеля и температуры при скорости отрыва трафарета 50,05 мм/с и давлении ракеля 75,5 Н (рис. 12). Из этих диаграмм можно увидеть, что существенное изменение происходит при 10-м процессе печати по сравнению со 2-м, что означает обратную зависимость относительно скорости ракеля. В то время как при 2-м процессе печати происходит ухудшение линейного разрешения в зависимости от скорости ракеля и температуры, то при 10-м процессе печати этот эффект, в зависимости от скорости ракеля, меняется на обратный. При 10-м процессе печати температура уже не оказывает влияния на результат.

Давление ракеля и скорость отрыва трафарета имеют в обоих случаях обратную зависимость относительно 2-го и 10-го процессов печати при постоянной скорости ракеля и температуре (рис. 13). Обобщение результатов относительно линейного разрешения показывает, что окончательную параметризацию процесса печати необходимо определять лишь после проведения нескольких процессов. Особенно за счет снижения давления ракеля можно избежать дефектов, связанных с недостаточным линейным разрешением. Кроме того, это увеличит срок службы ракеля и шаблона.

Результаты относительно взаимодействия

Анализ результатов относительно взаимодействия различных факторов базируется в первую очередь на линейном разрешении. Особенный интерес при этом представляют скорость ракеля (рис. 14) и его давление (рис. 15). Как уже было установлено при анализе влияния основных факторов, во 2-м процессе печати имеются однозначные зависимости, так, например, температура влияет на результат линейного разрешения при различных скоростях движения ракеля и различном давлении ракеля. При 10-м процессе печати зависимости от температуры нет. В данном случае на результат влияют только скорость и давление ракеля.

Сравнение двух систем паяльных паст

На основании вышеописанных результатов был вычислен нижний предел тестируемых в данном исследовании систем паяльных паст. Поэтому целью является разработка новой системы паяльной пасты, которая может быть использована также и для миниатюрных структур. Эта новая система паяльной пасты также может быть исследована с помощью представленного статистического плана испытаний. При неизменяемых условиях, таких как давление ракеля 75,5 Н, температура 26 °C, скорость ракеля 102,5 мм/с и скорость отрыва трафарета 50,05 мм/с, обе системы паяльной пасты можно сравнить друг с другом. Для этого используются такие величины, как объем (рис. 16) и линейное разрешение (рис. 17).

196 Pin-BGA. Из диаграммы видно, что при использовании модифицированной паяльной пасты с перечисленными параметрами наносится объем с оптимальным покрытием пастой контактных площадок данных компонентов. При тестировании модифицированной паяльной пасты на линейное разрешение не было зафиксировано изменений между результатами 2-го и 10-го процесса печати в отличие от первой системы паяльной пасты. Это означает, что те параметры, которые были определены в начале, остаются действительными для всего процесса печати.

Пайка оплавлением

Температурные профили

Главной целью данного исследования являлось установление причин влияния на качество смачивания и дефекты пайки при различных температурных профилях. Предварительно были определены 8 профилей для пайки (рис. 18) с такими величинами, как максимальная температура, время выше точки ликвидуса, предварительный нагрев, профиль с предварительным нагревом, или линейный профиль, и температурный градиент.

Проведение экспериментов

Спланированные температурные профили для пайки были измерены в печи с вынужденной конвекцией. Для этого на тестовой плате Benchmarker II были размещены термоэлементы. Для минимизации влияния результатов печати параметры печати оставались постоянными:

• скорость ракеля: 50 мм/с;
• скорость отрыва трафарета: 10 мм/с;
• давление ракеля: 50 Н;
• длина ракеля: 200 мм;
• толщина трафарета: 150 мкм.

Паяльная паста № 1 была нанесена на три печатные платы с финишным покрытием NiAu из каждого варианта программы статистического плана испытаний «Трафаретная печать». Первая плата в дальнейшем не использовалась, а вторая и третья платы после монтажа были оплавлены только в воздушной среде. Затем были проанализированы результаты пайки. Для исключения влияния загруженности печи во время процесса пайки в ней находилась лишь одна печатная плата.

Результаты: главные факторы влияния

Анализ после оплавления ограничивался контролем на шарики припоя на пассивных компонентах с формой от 1206 до 0402 и на смачиваемость. При пайке с более длительными температурными профилями было зафиксировано смачивание всей контактной площадки, однако в дальнейшем образовывались участки, не смачиваемые припоем. Тем самым положительные качества смачивания обращались в обратные качества несмачивания. На рис. 19 представлены точки смачивания относительно максимальной температуры и времени над точкой ликвидуса, вычисленные с учетом всех четырех областей для тестирования смачиваемости. Данные диаграммы показывают наличие влияния времени над точкой ликвидуса для применяемой системы паяльной пасты. Максимальная температура в данном случае практически не оказывает влияния.

Похожий результат получен при анализе температурного профиля пайки с предварительным нагревом (рис. 20). Основываясь на этой диаграмме, можно констатировать, что качество смачивания улучшается при уменьшении времени предварительного нагрева. Это подтверждается и предыдущими высказываниями относительно линейного профиля. Здесь также бульшую роль играет время, чем температура.

Появление дефекта разбрызгивания припоя на пассивных компонентах имеет похожие с результатами смачивания причины. В данном случае при увеличении времени над точкой ликвидуса зафиксировано увеличение количества дефектов (рис. 21).

Даже если у компонента с формой 1206 была зафиксирована зависимость этого дефекта от температуры, основное влияние на него оказывает зависимость от времени над точкой ликвидуса. Из этой диаграммы было определено оптимальное относительно минимизации данного дефекта время процесса пайки, которое составляет примерно 60 секунд.

При профиле с предварительным нагревом также была зафиксирована зависимость от времени над точкой ликвидуса, при котором количество дефектов увеличивается при ухудшении смачиваемости припоем (рис. 22). При применении этого профиля зафиксировано влияние времени над точкой ликвидуса на количество шариков припоя на компоненте формы 1206.

В дальнейшем был рассмотрен суммарный предварительный нагрев. Наиболее критичным фактором или параметром здесь также является время. Основываясь на всех результатах, можно определить окно процесса пайки (или оптимальный профиль пайки) для данной системы паяльной пасты.

Окно процесса пайки/оптимальный профиль пайки

С помощью полученных данных и статистического плана испытаний можно рассчитать оптимальный температурный профиль (или профили) для процесса пайки. Для этого задаются конечные величины оптимальных пунктов смачивания (максимум) без последующего возникновения областей, не смоченных припоем, и минимального количества дефектов (шариков припоя). Программой были рассчитаны четыре профиля. Все они соответствуют общим рекомендациям для профилей пайки (рис. 23).

Все четыре профиля были измерены в конвекционной печи с помощью тестовой печатной платы Benchmarker II. В соответствии с описанием были проведены и остальные эксперименты. Полученные в ходе этих экспериментов результаты относительно смачивания и дефектов пайки находятся в области, предсказанной программой статистического плана испытаний.

Признаки дефектов при пайке оплавлением

Разбрызгивание припоя

С помощью тестовой печатной платы Benchmarker II были проведены сравнительные испытания по возникновению дефекта разбрызгивания припоя на пассивных компонентах. В данном случае параметры печати паяльной пасты и профиль пайки были постоянными. При этом варьировались финишные покрытия металлизации резисторов и конденсаторов (бессвинцовые и свинецсодержащие покрытия). Испытания проводились на тестовой печатной плате с покрытием ImmSn, а результаты определялись подсчетом количества дефектов. Общее количество шариков припоя при комбинации «бессвинцовая паста/свинецсодержащее покрытие» увеличивается в данном тесте в 6 раз. Также было замечено, что среда пайки оказывает влияние на разбрызгивание припоя, причем результаты в азотной среде хуже, чем в воздушной. Так как на данный момент нельзя исходить из стопроцентной доступности компонентов с бессвинцовым покрытием, необходимо оптимизировать процессы пайки с целью минимизации этого дефекта.

Дефект «надгробный камень»

С помощью тестовой печатной платы Benchmarker II также можно проводить испытания на возникновение дефекта. В связи с ограниченным количеством компонентов невозможно получить статистически подкрепленные результаты. Поэтому была спроектирована специальная печатная плата для испытания на возникновение данного дефекта (рис. 24, 25).

На этой печатной плате были размещены контактные площадки с различными геометрическими размерами для пассивных компонентов формы 0603 и 0402. Внутренние слои меди должны привести к неравномерному нагреву контактных площадок компонентов во время пайки. За счет смещения при монтаже на 200 мкм этот дефект может быть еще больше спровоцирован. В данном испытании также использовались постоянные параметры печати пасты и процесса пайки. Различия заключались в металлизации контактов керамических конденсаторов (свинецсодержащие/бессвинцовые). И здесь была зафиксирована существенная разница в количестве дефектов. Как и при разбрызгивании припоя, отмечено существенное увеличение количества дефектов у компонентов со свинецсодержащей металлизацией.

Возникновение пустот в паяных соединениях

В связи с переходом на применение бессвинцовых припоев стала широко обсуждаться проблема возникновения пустот в паяных соединениях. Исследования показывают, что многие факторы могут негативно или позитивно влиять на возникновение пустот. Так, например, на одинаковых печатных платах с применением одной и той же паяльной пасты и однотипных компонентов, но от различных производителей, были получены паяные соединения с различным содержанием пустот. С помощью программы статистического планирования испытаний и тестовой печатной платы Benchmarker II были проанализированы главные факторы, влияющие на возникновение пустот в паяных соединениях. Анализ проводился на компоненте 0,8 мм 100 Pin-BGA. Переменными факторами этого испытания являлись:

• содержание металла;
• сплав (SAC305 и SAC405);
• среда пайки (азот и воздух);
• профиль пайки (линейный и с предварительным нагревом);
• финишное покрытие печатной платы (NiAu и OSP);
• упаковка пасты;
• температура хранения паяльной пасты;
• срок хранения паяльной пасты.

На основании результатов (рис. 26) могут быть проанализированы факторы влияния. Первые три из представленных на данной диаграмме фактора (пайка в среде азота, поверхность NiAu и профиль с предварительным нагревом) относятся к процессу и финишному покрытию печатной платы.

На рис. 27 показано, влияют ли эти параметры положительно или отрицательно на возникновение пустот в паяных соединениях. Положительные значения на оси ординат означают положительный результат; отрицательные значения указывают на учащение возникновения пустот для данного компонента. Наибольшее влияние в данном случае оказывает среда пайки. Пайка в воздушной среде способствует положительному результату. Финишное покрытие «медь/OSP» также вызывает положительный эффект.

Заключение

Было показано, что с помощью статистического плана испытаний могут быть описаны факторы влияния и их взаимодействие при обработке бессвинцовых паяльных паст. Результаты этого исследования применимы лишь к протестированной пасте. Обобщение для всех паст недопустимо. Основываясь на полученных данных и результатах, можно провести дополнительные специальные сравнения и описание источников дефектов. Результаты данного исследования на тестовой печатной плате могут быть применены на производстве.

Литература

1. Lathrop R., Trodler J. International Technical Service Test Procedure. Hanau und Conshohocken, USA, 20.3.2002.
2. Scheel W. Baugruppentechnologie der Elektronik. 1. Aufl., Verlag Technik GmbH, Berlin. 1997.
3. Kleppmann W. Taschenbuch Versuchsplanung. Carl Hanser Verlag, Mьnchen. 2001.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen, 2007, № 1. Германия).