Zaawansowana pasta lutownicza napędza lepszą elektronikę

Montaż w technologii montażu powierzchniowego opiera się na jednym materiale w większym stopniu, niż większość inżynierów ma ochotę przyznać:pasta lutownicza. Związek-zawiesina mikroskopijnych cząstek metalu w strumieniu-określa, czy produkcja o wartości 50 000 dolarów zostanie dostarczona na czas, czy też zostanie złomowana. Najnowsze formuły przesunęły granice tego, co można osiągnąć w zastosowaniach-o drobnej podziałce, a branża w końcu zwróciła na to uwagę.

Oto cała historia rozwoju pasty lutowniczej: nie trafia ona na pierwsze strony gazet. Nikt spoza branży nie ekscytuje się morfologią cząstek ani temperaturami aktywacji strumienia. Jednak w ciągu ostatnich trzech lat naukowcy zajmujący się materiałami przeformułowali podstawy zachowania pasty podczas rozpływu. Zmiany są subtelne, dopóki nie spojrzysz na dane dotyczące plonów.

Proszki typu 5 i typu 6-mówimy o wielkości cząstek odpowiednio 15-25 mikronów i 5–15 mikronów – przeszły z zastosowań specjalistycznych do produkcji głównego nurtu. Pięć lat temu większość producentów kontraktowych nie dotknęłaby Typu 6. Mówili, że to zbyt wybredne. Okno drukowania było zbyt wąskie.

To się zmieniło.

Ulepszenia skupiają się wokół trzech obszarów, choć nazywanie ich równie ważnymi byłoby nieuczciwe. Najważniejsza jest stabilność reologiczna.

Pasta, która drukuje konsekwentnie o godzinie 9:00, powinna drukować identycznie o 16:00. Brzmi oczywiste. W praktyce starsze preparaty gęstnieją w miarę upływu dnia, szczególnie w obiektach bez ścisłej kontroli wilgotności. Operatorzy kompensowali to poprzez regulację nacisku belki ssącej, co wprowadziło własną zmienność. Nowsza generacja nośników topnika,-szczególnie systemy żywic syntetycznych,-utrzymują lepkość w znacznie węższym zakresie. Zaobserwowaliśmy, że placówki zmniejszyły liczbę defektów- związanych z drukiem o 40% po prostu zmieniając receptury. Żadnych zmian w sprzęcie. Żadnych dostosowań procesu. Po prostu lepsza pasta.

Drugim czynnikiem jest skuteczność zwilżania zanieczyszczonych powierzchni. I zanim ktoś zacznie argumentować, że desek nie należy zanieczyszczać,-to teoretycznie. Rzeczywiste-wykończenia OSP utleniają się. Podczas przechowywania na podkładkach ENIG powstają organiczne filmy. Substraty wolne od halogenów-odgazowują się podczas ponownego przepływu. Solidny system strumieniowy radzi sobie z tymi warunkami, nie wymagając od wszystkich osób znajdujących się na górze strumienia osiągnięcia perfekcji.

Trzecią kwestią jest zachowanie pustki. Więcej o tym później.

Miniaturyzacja spowodowała, że technologia pasty stała się trudniejsza niż jakikolwiek inny czynnik. Kiedy element ma wymiary 0,6 mm x 0,3 mm, a podkładka ma około 0,25 mm szerokości, osadza się około 0,02 milimetra sześciennego pasty. Przy takich wolumenach wszystko ma znaczenie.

Rozkład wielkości cząstek staje się krytyczny. Pojedyncza, zbyt duża cząstka-powiedzmy, 45 mikronów w preparacie typu 5-może powodować powstawanie mostków lub niewystarczające osadzanie się. Renomowani producenci kontrolują produkcję proszku, aby wyeliminować te wartości odstające, ale nie wszyscy to robią. Różnica w kosztach pomiędzy rygorystycznie kontrolowanym proszkiem a materiałem standardowym jest znacząca. Niektórzy asemblerzy uczą się tej lekcji kosztownie.

Technologia szablonów ewoluowała równolegle. Nano-powłoki na wycinanych laserowo-aperturach ze stali nierdzewnej znacznie poprawiają uwalnianie pasty. Powłoka jest pastą hydrofobową,-która nie przykleja się do ścianek apertury w fazie separacji. To brzmi jak drobnostka. To nie jest. Zwolnienie apertury określa, czy wysokość osadu wynosi 100 mikronów czy 85 mikronów, a różnica ta rozprzestrzenia się w całym profilu termicznym.

Przejście na montaż-bezołowiowy wszystko skomplikowało. SAC305-dominujący stop zawierający 96,5% cyny, 3% srebra i 0,5% miedzi-topi się w temperaturze 217-220 stopni w porównaniu do 183 stopni w przypadku tradycyjnej eutektyki cyna-ołów. Ta 35-stopniowa różnica nie wydaje się duża, dopóki nie weźmie się pod uwagę, że cała płytka musi osiągnąć temperaturę likwidusu, nie uszkadzając elementów wrażliwych na temperaturę ani nie spalając topnika.

Nowoczesne receptury past wydłużyły okno robocze. Pojazdy o lepszym strumieniu utrzymują aktywność w szerszych zakresach temperatur, co oznacza, że profil rozpływu nie musi osiągać dokładnych temperatur w dokładnym czasie. Tolerancja poprawiła się z około ± 5 stopni do ± 10 stopni lub więcej w przypadku materiałów najwyższej jakości.

W rezultacie niektóre placówki zaczęły leniwie podchodzić do profilowania. To błąd. Pasta jest bardziej wybaczająca, ale nie w nieskończoność.

W tym miejscu poświęcę więcej czasu, niż na to pozwala temat, ponieważ puste przestrzenie doprowadzają inżynierów procesowych do szaleństwa, a przyczyny nie zawsze są intuicyjne.

Pustki powstają, gdy lotne składniki topnika zostają uwięzione w krzepnącym lutowiu. Podczas chłodzenia gazy nie ulatniają się wystarczająco szybko, dlatego tworzą się pęcherzyki. Małe puste przestrzenie-poniżej 25% powierzchni złącza-zwykle nie wpływają na niezawodność. IPC-7095 określa kryteria. Powyżej tego progu osłabiasz połączenie mechaniczne i termiczne.

Dolne-elementy zakończeń-QFN, DFN, LGA-są znanymi generatorami pustek. Duża centralna podkładka uziemiająca zatrzymuje substancje lotne pod spodem. Pasta topi się, topnik aktywuje się i uwalnia gaz, ale składnik działa jak pokrywka. Gaz nie ma dokąd pójść, chyba że do lutu.

Oddawanie moczu kontrolują trzy czynniki, które oddziałują na siebie w nieprzewidywalny sposób:

Wklej chemię. Żadne-czyste preparaty nie mają tendencji do powstawania większych ubytków niż typy-rozpuszczalne w wodzie, ponieważ pozostałości nie absorbują substancji lotnych w taki sam sposób. Niektóre pasty no-clean zostały opracowane specjalnie z myślą o ograniczaniu powstawania pustych przestrzeni; inni nie. Arkusze danych nie zawsze to wyjaśniają.

Atmosfera ponownego przepływu. Azot zmniejsza ilość mikcji w porównaniu z ponownym przepływem powietrza. Mechanizm nie jest do końca poznany.-Niektórzy badacze przypisują go zmniejszonemu utlenianiu, co pozwala na lepsze zwilżanie, inni wskazują na zmienioną kinetykę rozkładu strumienia. Niezależnie od tego, w obiektach, w których występuje refluks powietrza, poziom pustek jest zazwyczaj o 10–20% wyższy, a czasem nawet większy.

Projekt szablonu. Większość ludzi szuka tego w pierwszej kolejności i szczerze mówiąc, często jest to niewłaściwe miejsce na rozpoczęcie. Tak, możesz zmniejszyć objętość pasty, aby ograniczyć powstawanie pustych przestrzeni. Tak, można zastosować wzory kratek lub szyby okienne na dużych otworach, aby zapewnić drogi ewakuacyjne. Jednak te modyfikacje zmniejszają objętość lutowia, co może powodować niedobory lub zmniejszać rozpraszanie ciepła. Optymalizacja nie jest prosta.

Co faktycznie działa: przepływ próżniowy. Systemy wytwarzające próżnię w szczytowej temperaturze pozwalają na ucieczkę uwięzionych gazów, zanim lutowie stwardnieje. Rezultatem jest dramatyczny-spadek poziomu pustki prawie do zera. Koszt sprzętu jest znaczny. W przypadku zastosowań o wysokiej-niezawodności jest to uzasadnione.

Przyznam, że ta wada zdumiała mnie już przy pierwszym zetknięciu się z nią. Masz BGA, idealnie umiejscowione. Pasta lutownicza drukuje czysto. Profil przepływu wygląda podręcznikowo. Prześwietlenie-ponownego przepływu- ujawnia niektóre kule, które wyglądają... nieprawidłowo. Zarówno osad pasty, jak i kulka składowa stopiły się, ale nie połączyły się. Dotykają się, ale tak naprawdę nie łączą, jak głowa oparta na poduszce. Stąd nazwa.

Główną przyczyną jest niedopasowanie czasu. Wypaczenie komponentów podczas rozpływu powoduje oderwanie niektórych kulek od osadu pasty dokładnie w niewłaściwym momencie. Pasta zestala się, gdy kulka jest uniesiona. Kiedy kula opada podczas chłodzenia, styka się z już-stałą pastą, ale nie może utworzyć wiązania metalurgicznego.

Zaawansowana pasta nie rozwiązuje problemu wypaczeń,-jest to problem-na poziomie komponentu. Jednak preparaty o dłuższym czasie otwarcia i późniejszej aktywacji topnika mogą utrzymać stopioną pastę do czasu, aż składnik ponownie się uspokoi. To jest obejście, a nie naprawa. Prawdziwe rozwiązania obejmują kwalifikację dostawców komponentów i strategiczne rozmieszczenie podczas sekwencjonowania montażu.

W każdym arkuszu specyfikacji podany jest okres przydatności do spożycia. Zwykle 6-12 miesięcy w lodówce w temperaturze 0-10 stopni. Nie podkreślają jednak uszkodzeń wynikających z niewłaściwego obchodzenia się z lodówką i drukarką szablonową.

Nie można drukować zimnej pasty. Musi osiągnąć temperaturę otoczenia-zwykle 4-6 godzin przed użyciem. Wyciągnij go wcześniej, a lepkość jest niewłaściwa. Na powierzchni słoika i potencjalnie na samej paście tworzy się kondensacja. Absorpcja wilgoci zmienia reologię w sposób, który staje się widoczny dopiero po kilku godzinach od usunięcia defektów.

Niektóre obiekty mają termopary osadzone w słoikach z pastą, aby śledzić rzeczywistą temperaturę. Przesada? Może. Ale przestali mieć tajemnicze spadki plonów w poniedziałkowy poranek.

Innym problemem związanym z obsługą jest ładowanie metalu. Pasta lutownicza zawiera wagowo 88-92% metalu, w zależności od składu. Cząsteczki te osiadają podczas przechowywania. Jeśli ktoś nie owinie prawidłowo słoika przed załadowaniem drukarki,-a mam na myśli właściwie, a nie pięć szybkich obrotów,-pierwsze wydruki będą zawierały duży strumień-a ostatnie wydruki będą zawierały dużą ilość lutowia. Obydwa są defektami.

Zarezerwowałem to na koniec, ponieważ jetting to wciąż nisza, ale technologia szybko się rozwija. Zamiast drukować za pomocą szablonu, systemy natryskowe nakładają pojedyncze kropki pasty z szybkością przekraczającą milion punktów na godzinę.

Korzyści są oczywiste w środowiskach-o dużym zróżnicowaniu. Brak szablonu oznacza brak czasu na zmianę. Nowy produkt? Prześlij program. Różna objętość pasty na poszczególnych podkładkach? Trywialny. Szablony schodkowe i wielokrotne nadruki stają się niepotrzebne.

Wymagania dotyczące pasty są różne. Pasta natryskiwana wymaga niższej lepkości i mniejszych cząstek niż pasta drukowana. Większość producentów oferuje obecnie specjalne preparaty do natryskiwania-. Nie jest jasne, czy natryskiwanie zastąpi druk szablonowy w masowej produkcji.-Obecne dane dotyczące wydajności faworyzują szablony w przypadku-pojedynczych-lini produktów o dużych nakładach. Ale punkt zwrotny się zbliża.

Rozwój materialny zmierza raczej w stronę zmian ewolucyjnych niż rewolucyjnych. Następne kilka lat prawdopodobnie przyniesie udoskonalenia: lepszą wydajność tworzenia pustych przestrzeni, szersze okna procesowe, dłuższe czasy otwarcia, zanim pasta wyschnie na szablonie. Przydatne ulepszenia, a nie transformacyjne.

Wyjątkiem może być lutowanie-w niskiej temperaturze. Stopy na bazie bizmutu-topiące się w temperaturze około 140 stopni radykalnie uprościłyby montaż produktów-wrażliwych na temperaturę. Problemy z niezawodnością nie zostały w pełni rozwiązane-kruchość bizmutu w pewnych warunkach-ale badania są w toku. Kilku głównych producentów past ma w swojej ofercie produkty niskotemperaturowe-.

Na razie zaawansowana pasta to mniej defektów, większe marginesy procesu i możliwość montażu elementów, które pięć lat temu byłyby niepraktyczne. To jest warte więcej, niż inżynierowie zwykle przyznają.

Przemysł elektroniczny zwykle koncentruje się na dramatycznych ogłoszeniach-nowych architekturach chipów, przełomowych materiałach i rewolucyjnych procesach. Tymczasem stopniowe ulepszenia pasty lutowniczej po cichu umożliwiają każdą kolejną generację miniaturyzacji. Technologia ta rzadko cieszy się uznaniem proporcjonalnym do jej wpływu.