Предполагаемое время чтения: 1 минута
Инженер-электронщик, работающий в компании, производящей медицинское оборудование, недавно столкнулся с дефектами 12% в новой партии QFN-корпусов с шагом 0,4 мм; буквально каждая третья плата имела мостики припоя между соседними площадками. Учитывая потенциальные задержки в утверждении нормативных документов и стоимость повторной обработки каждой дефектной платы, приближающуюся к $18, команде срочно требовались меры по исправлению ситуации. В этой ситуации инженер столкнулся с серьезной проблемой, связанной с высокой плотностью монтажа печатных плат и паяльными мостиками, на которые приходится 38% всех отказов при SMT-монтаже, согласно данным IPC-A-610 данные о нарушениях, что значительно сокращает сроки выполнения нормативных требований, а также увеличивает затраты на доработку.
Мостики припоя могут возникать, когда расплавленный припой по ошибке устанавливает электрическое соединение между двумя или более проводниками, которые должны быть изолированы друг от друга. В сборках с высокой плотностью монтажа погрешность значительно ниже, поэтому один образовавшийся мостик припоя приведет к функциональному дефекту сборки с возникающими недостатками в работе - от замыканий на землю до непреднамеренного перекрестного сигнала. Поэтому предотвращение образования мостиков припоя является важной задачей качества в современных условиях сборки.
Улучшение конструкции трафарета для паяльной пасты благодаря уже проверенным соотношениям апертур
Наиболее эффективный способ предотвращения дефектов, связанных с перемычками из припоя, - на этапе разработки трафарета. Некоторые инженеры не понимают, что существует важная взаимосвязь между соотношением площади апертуры и способностью выпускать паяльную пасту. Например, соотношение площади апертуры рассчитывается путем деления площади апертуры на площадь стенок апертуры. Соотношение площадей отверстий должно быть больше 0,66, чтобы паяльная паста правильно переносилась на печатную плату (PCB). Для переноса паяльной пасты на компоненты с мелким шагом обычно используются трафареты из нержавеющей стали, изготовленные методом гальванопластики или лазерной резки, с допуском ±12,5 мкм.
” Например, если у вас есть компонент с шагом 0,4 мм, и этот компонент разработан с площадкой размером 0,2 мм x 0,6 мм, вы должны разработать трафаретную апертуру, которая составляет примерно 90% - 95% от размера отверстия площадки в каждом направлении; это соответствует дизайну апертуры 0,18 мм x 0,57 мм.“
Когда вы выбираете толщину трафарета, она обычно определяется шагом; например, трафареты, используемые для сборки компонентов с шагом 0,5 мм, обычно работают лучше всего при толщине трафарета 100-125 мкм, а трафареты, используемые для сборки компонентов с шагом 0,4 мм, обычно работают лучше всего при толщине апертуры в пределах 75-100 мкм.
Электрополировка стенок апертуры трафаретов позволит уменьшить шероховатость поверхности стенок до Ra < 0,4 мкм. Это значительно улучшит способность паяльной пасты отделяться от трафарета. Данные контролируемого производства показывают, что трафареты, подвергнутые электрополировке, приводят к уменьшению дефектов соединения припоя на 34% по сравнению с трафаретами, подвергнутыми химическому травлению, при использовании для сборки пассивных компонентов 0201 и BGA с мелким шагом. Стандарт IPC/WHMA-7525B содержит подробные критерии и формулы проектирования апертур, которые помогают в разработке апертур для различных типов корпусов.
Рекомендации от инженеров PCBINQ
При шаге ≤0,5 мм всегда указывайте порошок припоя типа 4 или типа 5 и уменьшайте отверстия на 10-15% меньше, чем площадь площадки. Никогда не используйте одну и ту же толщину трафарета в конструкциях со смешанным шагом - используйте ступенчатые трафареты или процессы двойной печати, если шаг компонентов на одной плате различается более чем на 0,3 мм.
Обеспечение точного управления профилем дожигания при небольших технологических окнах
Способ профилирования температуры пайки влияет на смачивание припоя и вероятность образования мостиков. Обычный бессвинцовый профиль для SAC305 - это использование пиковой температуры пайки 245-255ºC, при этом область, критически важная для предотвращения образования мостиков, находится на этапе перехода от темпа к пику, который происходит между 217ºC и пиковой температурой пайки.
Корреляция между риском образования мостов и временем, проведенным в жидком состоянии, действительно существует. Многие инженеры отмечают, что длительное пребывание в состоянии выше уровня жидкости, особенно более 60 секунд при высоких температурах, может увеличить риск образования мостов, поскольку припой будет продолжать течь в боковом направлении до того, как летучие вещества флюса будут полностью удалены из паяного соединения.
Скорость нагрева через критическую зону от 150ºC до пика является важным фактором для достижения оптимальной активации флюса при ограничении бокового потока. Идеальным способом достижения этой цели является линейный нагрев со скоростью 1-2ºC/секунду. Любая другая скорость нагрева приводит либо к увеличению времени смачивания, что повышает риск образования мостиков на близко расположенных площадках, либо к увеличению риска теплового удара и, следовательно, неполной активации флюса, что приводит к плохому смачиванию и холодному или неполноценному паяному соединению.
Профилирование должно учитывать изменение тепловой массы платы. Плата FR-4 толщиной 1,6 мм с 2 унциями меди требует примерно на 15-20% больше времени выдержки по сравнению с платами толщиной 1,0 мм с 1 унцией меди для достижения равномерного нагрева всех компонентов. Использование как минимум девяти термопар, расположенных на небольших пассивных элементах, компонентах с большой тепловой массой и углах платы, позволяет получить достаточно данных для подтверждения однородности профиля. Значения Delta-T должны оставаться ниже 5°C во время пика, чтобы предотвратить локальный перегрев, который усугубляет образование мостиков на устройствах с мелким шагом.
Используйте контролируемую азотную атмосферу для снижения эффекта поверхностного натяжения
Исследования показали, что процессы пайки на основе азота с использованием атмосферы с уровнем кислорода менее 500 ppm значительно снижают количество мостовых дефектов в сборках печатных плат высокой плотности. Преимущество процесса пайки на основе азота обусловлено уменьшением окисления припоя в жидкой фазе. Окисление приводит к соответствующему увеличению поверхностного натяжения расплавленного припоя по сравнению с использованием воздушной среды для пайки. Таким образом, снижение поверхностного натяжения при пайке на основе азота обеспечивает более агрессивное “смачивание” припоя на площадках и одновременно снижает склонность расплавленного припоя к образованию непрерывных нитей между соседними элементами.
Производственные данные контрактного производителя печатных плат показали, что уровень мостовых дефектов корпусов BGA с шагом 0,8 мм снизился с 4,2% до 1,1% после перехода с воздушной на азотную продувку при сохранении всех остальных переменных процесса неизменными. Экономический анализ этого перехода показал, что дополнительные расходы на азот составили $0,18, что было компенсировано снижением на $2,40 за счет уменьшения количества повторных работ; в результате чистая экономия составила $2,22 на единицу продукции при тираже производства 50 000 единиц.
Оптимизация концентрации кислорода имеет различные идеальные диапазоны в зависимости от используемого сплава. Например, для сплава SAC305 оптимальным является диапазон 100-300ppm O₂, где он демонстрирует наибольшие преимущества, в то время как сплавы с меньшим содержанием серебра, такие как SAC105 или SAC0307, могут успешно использоваться при концентрации до 1000ppm. Постоянный контроль количества кислорода в процессе пайки с помощью обратной связи обеспечивает стабильность за счет контроля среды, что предотвращает колебания в пайке от партии к партии. Для инженеров, получающих платы производственного качества, PCBInq предлагает азотную пайку с контролируемым уровнем кислорода ниже 100ppm как часть высокоплотной сборки, что является преимуществом для медицинских и аэрокосмических проектов, где требуются допуски на дефекты, составляющие доли на миллион.
Улучшение реологии паяльной пасты и содержания металлов
Тип используемой паяльной пасты может влиять на способность образовывать мостики. Однако многие инженеры предпочитают использовать стандартную пасту типа 3, не оценивая особых потребностей в макетах с высокой плотностью монтажа. Однако при шаге менее 0,5 мм существуют варианты с лучшими характеристиками - тип 4 и тип 5. Благодаря меньшему размеру частиц пасты типов 4 и 5 обеспечивают лучший выход трафарета и более четкое изображение элементов при работе с мелким шагом.
При указании содержания металла также следует соблюдать осторожность. В большинстве случаев стандартные припои содержат около 88-90 % металла, и использование более низкого содержания металла от 86% до 88% для применения с мелким шагом уменьшает вязкость припоя и улучшает его стойкость к осадке. Недостатком является несколько меньший объем припоя, доступный для создания соединения, но в большинстве случаев это приемлемо, если конструкция отверстия компенсирует это за счет правильного расчета объема.
Например, для типичного применения с шагом 0,3 мм при использовании припоя типа 5 с содержанием металла 87% и трафарета размером 100 мкм на каждую площадку будет нанесено около 0,008 мм³ паяльной пасты. Этого объема должно быть достаточно для обеспечения надежного паяного соединения, но при этом не должно быть излишков припоя, которые могут вызвать образование мостиков между площадками.
Тип используемого флюса для пасты также может влиять на склонность к образованию мостиков. Например, неочищаемый флюс с галогенидами в диапазоне от 0,05% до 0,2% обеспечивает достаточную активность для пайки бессвинцовых припоев и оставляет после себя незначительные остатки, которые не будут удерживать токопроводящие частицы после повторной продувки. И наоборот, хотя водорастворимые флюсы обладают более высокой активностью и предоставляют больше возможностей для создания хорошего паяного соединения, они могут потребовать тщательной очистки для предотвращения образования остатков флюса между площадками, которые могут образовывать возможные пути утечки или места для образования дендритных наростов.
| Параметр пасты | Стандартный шаг (≥0,65 мм) | Мелкий шаг (0,4-0,5 мм) | Сверхмелкий шаг (≤0,4 мм) |
|---|---|---|---|
| Тип порошка | Тип 3 (25-45 мкм) | Тип 4 (20-38 мкм) | Тип 5 (15-25 мкм) |
| Содержание металла | 88-90% | 86-88% | 85-87% |
| Толщина трафарета | 125-150 мкм | 100-125 мкм | 75-100 мкм |
| Уменьшение диафрагмы | 1:1 к размеру подушечки | 5-10% редукция | 10-15% уменьшение |
| Коэффициент дефектности моста (типичный) | <0,5% | 1.5-2.5% | 3.5-5.0% |
Автоматизированный оптический контроль
В то время как методы профилактики снижают вероятность возникновения мостов, статистический контроль процессов требует количественного обнаружения и обратной связи. Современные 3D автоматизированная оптическая инспекция (Системы AOI, использующие фазосдвиговую профилометрию, обнаруживают мостики припоя с точностью 98,2% при правильной калибровке для сборок высокой плотности. Критической характеристикой является боковое разрешение: для надежного обнаружения мостиков между компонентами с шагом 0,4 мм системы должны разрешать элементы размером до 10 мкм.
По нашему опыту внедрения АОИ на производственных линиях с мелким шагом, для обучения алгоритма требуется не менее 500 известных хороших плат и 200 плат с задокументированными дефектами, чтобы установить надежные пороги обнаружения. Показатели ложноположительных результатов выше 3% вызывают усталость оператора и снижают доверие к системе, а показатели ложноотрицательных результатов выше 1% позволяют избежать обнаружения дефектных плат. Достижение этих целей требует тщательной настройки освещения - обычно требуется 8-12 независимо управляемых светодиодных массивов, расположенных под углами 15-75° от нормали.
Настоящая ценность достигается благодаря обратной связи в замкнутом контуре: Данные AOI поступают непосредственно в настройки параметров трафаретного принтера, создавая самокорректирующийся процесс. Когда мостовые дефекты скапливаются на определенных типах компонентов или местах платы, автоматические предупреждения запускают циклы очистки трафарета или пересмотра дизайна апертуры. Один из производителей автомобильной электроники за шесть месяцев сократил количество мостовых дефектов с 2,8% до 0,3%, внедрив этот подход, основанный на данных, и добился совокупной экономии в размере $340 000 в расходах на доработку при объеме производства 1,2 миллиона плат в год.
Такие производители, как PCBINQ интегрировали эти передовые системы АОИ в свои стандартные процессы сборки, предоставляя клиентам подробные отчеты о проверке, включая трехмерные измерения паяных соединений и статистический анализ тенденций, что позволяет упреждающе оптимизировать процесс, а не реагировать на дефекты.
Реализация целостной стратегии предотвращения образования мостов
Предотвращение дефектов паяльных мостиков в Сборка печатных плат высокой плотности требует одновременной оптимизации в области проектирования, материалов, процессов и контроля. Ни один метод не устраняет дефекты самостоятельно - наименьшее количество дефектов достигается при систематическом применении всех пяти подходов. В первую очередь инженерам следует уделить внимание оптимизации конструкции трафарета, поскольку этот основополагающий элемент влияет на все последующие процессы. Далее следует проверка профилирования при доливке, затем спецификации материалов, контроль атмосферы и, наконец, обратная связь на основе контроля.
Инвестиции в инфраструктуру предотвращения мостов приносят немедленные дивиденды: сокращение дефектов мостов с типичных для отрасли 3% до контролируемых 0,5% при годовом объеме 100 000 плат позволяет сэкономить примерно $250 000 только на затратах на доработку, исходя из средней стоимости доработки $10 на один дефект. Если учесть снижение количества брака, повышение выхода продукции и сокращение времени производственного цикла, то общий экономический эффект часто превышает $500 000 в год для среднесерийных производителей.
При внедрении новых продуктов выделите 15-20% времени NPI специально для проверки предотвращения мостов. Это включает в себя итерации дизайна трафарета, разработку профиля на реальных производственных платах и обучение алгоритмам АОИ. Предварительные инвестиции в тщательную проверку предотвращают дорогостоящие переделки в середине производства и поддерживают графики поставок в срок.
