Причины и решения формирования запорных шариков в процессе SMT

Феномен припояявляется одним из основных дефектов в производстве технологии поверхностного монтажа (SMT). Из-за множества причин и сложности контроля это часто беспокоит инженеров SMT.

Механизмы образования шариков и шариков припоя различны, поэтому и необходимые меры противодействия также различны.

Шарики припоя в основном концентрируются на одной стороне микросхемных резисторов и конденсаторов, а иногда появляются возле выводов микросхемы.

Шарики припоя не только ухудшают внешний вид изделий на уровне платы, но, что более важно, из-за высокой плотности компонентов на печатной плате они создают риск возникновения короткого замыкания во время использования, тем самым влияя на качество электронных изделий.

Существует множество причин образования шариков припоя, часто возникающих в результате одного или нескольких факторов. Поэтому для достижения эффективного контроля над каждой причиной необходимо принять меры по предотвращению и улучшению.

Механизмы изготовления шариков и шариков припоя

1. Механизм формирования шариков припоя.

Основной причиной появления шариков припоя является «выплескивание» расплавленного металлического сплава из паяного соединения во время его формирования по разным причинам, в результате чего вокруг соединения образуется множество мелких, разбросанных шариков припоя.

Они часто выглядят как сгруппированные дискретные мелкие частицы, застрявшие в остатках флюса вокруг выводов или площадок компонентов. Общие причины включают в себя: слишком быстрый нагрев или охлаждение припоя, особенно в бессвинцовых высокотемпературных процессах, что может привести к образованию шариков припоя. При пайке оплавлением чрезмерно быстрое испарение расплавленного флюса, высокая доля растворителей в составе флюса, избыток высококипящих растворителей, неправильный нагрев и т. д. могут повысить вероятность образования шариков припоя. Чрезмерное окисление паяемых поверхностей или олова в паяльной пасте может вызвать неравномерный нагрев и плавление массы припоя во время пайки, тем самым влияя на теплопроводность и теплопередачу флюса, а также увеличивая возможность образования шариков припоя. Неблагоприятные факторы при использовании паяльной пасты, такие как неправильный разогрев паяльной пасты, приводящий к впитыванию влаги (из-за гигроскопических компонентов во флюсе), могут вызвать разбрызгивание паяльной пасты во время пайки с образованием шариков припоя.

2. Механизм формирования шариков припоя.

Шарики припоя представляют собой относительно большие шарики припоя. Перед пайкой паяльная паста может выйти за пределы печатных площадок из-за осадка, сдавливания или по другим причинам. Во время пайки этот избыток паяльной пасты не сливается с пастой на контактных площадках и становится независимым, затвердевая вблизи корпуса компонента или контактных площадок. Однако большинство шариков припоя располагаются на обеих сторонах компонентов микросхемы (см. рисунок 1).

Если взять в качестве примера чип-компонент с квадратными контактными площадками (рис. 2), то если паяльная паста после печати выходит за пределы контактной площадки, скорее всего, образуются шарики припоя.

Паяльная паста, выступающая за пределы площадки, состоит из двух частей: внешней части (синяя область) и внутренней части (желтая область). Красная область — это фактическая область площадки. На внешнем удлинении не образуются валики припоя, если они сливаются с паяльной пастой на площадке во время пайки при формировании галтели.

Что касается внутреннего расширения, когда объем припоя небольшой, паяльная паста может образовывать правильный скругление на конце компонента. Однако, когда объем припоя велик, давление размещения компонента может выдавить паяльную пасту под корпус компонента (изолятор). Во время оплавления расплавленный припой за счет поверхностной энергии принимает сферическую форму. Он стремится поднять компонент, но эта сила очень мала. Вместо этого вес компонента прижимает шарик припоя к обеим сторонам компонента, отделяя его от площадок и образуя шарики припоя при охлаждении. Если вес компонента велик и выдавлено большое количество паяльной пасты, могут даже образоваться множественные валики припоя.

3. Различия между шариками припоя и шариками припоя

Люди часто путают шарики припоя и шарики припоя, но это разные вещи.

Основное отличие заключается в механизме их образования.

Кроме того, с точки зрения внешнего вида и размера шарики припоя больше, чем шарики припоя, обычно их диаметр превышает 5 мил (0,127 мм).

Что касается местоположения, шарики припоя в основном сосредоточены в середине компонентов микросхемы и на нижних сторонах корпуса компонента, тогда как шарики припоя могут появляться где угодно в пределах остатков флюса.

Что касается количества, то шариков припоя обычно насчитывается от 1 до 4, тогда как количество шариков припоя варьируется, часто их много.

Факторы, влияющие на формирование валиков припоя

Исходя из причин образования валиков припоя, к основным влияющим факторам относятся:

• Апертура трафарета и дизайн рисунка подушечки

• Очистка трафарета

• Точность повторяемости станка

• Температурный профиль пайки оплавлением

• Давление размещения

• Количество паяльной пасты за пределами площадки

Контрмеры и опыт уменьшения наплывов припоя

1. Спроектируйте отверстия трафарета в соответствии со стандартами.

Выберите подходящую толщину трафарета и строго контролируйте соотношение сторон апертуры в соответствии со стандартами IPC-7525A. Выбирая толщину трафарета, выберите более тонкий вариант в пределах стандартного диапазона, исходя из реальных компонентов на печатной плате, при условии, что качество паяного соединения гарантировано, а не выбирайте более толстый вариант. Например, для QFP/Pin с шагом 0,5 мм допускается толщина 0,125–0,15 мм. Если использование толщины 0,12 мм не влияет на пайку других компонентов, выбирайте толщину 0,12 мм, а не более толстые варианты. Типичное соотношение сторон диафрагмы составляет 1:1. Для компонентов, требующих большего количества паяльной пасты, соотношение можно немного увеличить до 1:1,05 или 1:1,2. Однако трафареты с соотношением сторон >1:1 требуют частой и эффективной очистки нижней части во время печати; в противном случае скопление паяльной пасты на нижней части может привести к образованию шариков припоя. Для компонентов, требующих меньше паяльной пасты, соотношение можно уменьшить до 1:0,9. Для компонентов микросхемы антиприпойные отверстия могут не потребоваться для размеров ниже 0402, но для 0603 и выше их следует применять выборочно. Учитывая взаимосвязь между шариками припоя и пастой для удлинения внутренней площадки, удлинение внутренней площадки можно исключить или даже спроектировать с отрицательным значением.

2. Выберите подходящий рисунок и размер колодки.

Неправильный размер контактной площадки также может привести к образованию шариков припоя. При проектировании площадок учитывайте печатную плату, фактический размер корпуса компонентов и размер клемм, чтобы определить соответствующие размеры площадок. Компании должны установить свои собственные стандарты проектирования колодок, основанные на измеренных размерах компонентов, полученных от поставщиков. Проекты также должны быть модифицированы в соответствии с реальными условиями. Согласно IPC-SM-782A, паяное соединение имеет три контрольных значения:

• Jt = Припой на носке

• Jh = Припой на пятке

• Js = Закругление под припой сбоку

Для компонентов микросхемы (на примере 0402) на рисунке 3 показана схема конструкции контактной площадки резистора (фактические схемы зависят от компонента), а на рисунке 4 показана схема размеров нижней части соответствующего резистора. С помощью высокоскоростной установочной машины FUJI 143E (точность 0,001 мм) измеренные размеры контактной площадки печатной платы показаны в Таблице 1. Сравнение измеренных размеров компонентов (с использованием FUJI 143E) и размеров, предоставленных поставщиком, показано в Таблице 2. Измеренные размеры находятся в пределах диапазонов, указанных поставщиком.

Формулы расчета для трех эталонных значений:

• Jt = (Z - L)/2

• Jh = (S - G)/2

• Js = (X - W)/2

Если Jh положителен, это указывает на отсутствие излишков паяльной пасты на выводе после размещения; немного паяльной пасты будет «лишним». Если Jh положителен и относительно велик, такие факторы, как чрезмерно высокая скорость нагрева во время пайки, плохая паяемость вывода или площадки или чрезмерное давление при размещении вниз, могут привести к появлению валиков припоя. Если Jh положителен, но мал, это способствует хорошему формированию филе.

Эмпирический анализ и меры по улучшению решения проблем с шариками припоя

Анализ измеренных данных от Fenghua (поставщик) согласно IPC-SM-782A:

• Резистор Jh = (0,46 – 0,4)/2 = 0,03мм

• Конденсатор Jh = (0,56 – 0,4)/2 = 0,08 мм

Хотя оба значения Jh положительны, они малы, что позволяет получить хорошие скругления пятки и углы смачивания без образования валиков припоя. На практике валики припоя наблюдаются редко, качество пайки хорошее. Эмпирический диапазон Jh составляет от -0,1 до 0,15 мм. В таблице 2 диапазон значений S широк. На практике поставщиков следует просить контролировать этот диапазон; Хороший диапазон для конденсаторов и резисторов — 0,35–0,65 мм. В противном случае конструкция трафарета должна быть соответствующим образом скорректирована. Jt, Js и т. д. можно анализировать аналогичным образом.

Для компонентов ИС проектируйте на основе моделей/размеров, предоставленных поставщиком. Для компонентов микросхем рекомендуемая форма контактных площадок, не содержащих свинца, — полуэллиптическая снаружи или внутри. Главное – избегать концентрации напряжений, типичной для квадратных площадок, и выдавливания паяльной пасты в углах под высоким давлением припоя, что может привести к образованию шариков припоя.

3. Улучшите качество очистки трафарета.

Лучшая очистка трафарета улучшает качество печати. Недостаточная очистка приводит к скоплению остатков паяльной пасты в нижней части отверстий, что приводит к избытку пасты и каплям припоя. При использовании автоматической очистки трафаретов на принтерах наиболее эффективным является сочетание влажной, сухой и вакуумной чистки. Увеличьте частоту очистки в зависимости от расположения компонентов. Контролируйте эффективность и при необходимости добавляйте ручную очистку.

4. Обеспечьте точность повторяемости оборудования.

Во время печати несовпадение между трафаретом и контактными площадками может привести к размазыванию пасты за пределы контактных площадок, что приведет к образованию капель припоя при нагревании. Точность размещения также влияет на процесс. Обычно требуется 3σ или выше; в противном случае вероятность образования шариков припоя увеличивается.

5. Контроль давления размещения машины.

Высота оси Z во время размещения компонента контролируется либо давлением размещения, либо контролем толщины компонента. Это определяет, насколько сильно компонент вдавливается в паяльную пасту, что является важным фактором для шариков припоя. Неправильный контроль может привести к выдавливанию пасты с подушечек во время установки, что приведет к образованию шариков. Независимо от метода управления, настройки должны быть оптимизированы для предотвращения биения. Принцип заключается в том, чтобы поместить компонент «на» пасту с достаточным давлением, чтобы паста не выдавливалась с колодок. Требуемое давление зависит от поставщика, модели и упаковки; при необходимости корректируйте в процессе производства.

6. Оптимизация температурного профиля

Во время пайки оплавлением этапы нарастания и выдержки направлены на снижение теплового удара по печатной плате и компонентам, а также на частичное испарение растворителя из паяльной пасты. Это предотвращает образование осадка или разбрызгивания чрезмерного количества растворителя на этапе оплавления, что может привести к выталкиванию пасты с подушечек и образованию шариков или шариков. Контролируйте профиль оплавления: убедитесь, что скорость изменения температуры умеренно ниже 2,0°C/с (Примечание: в оригинале указано 20°C/с, вероятно, опечатка, исправлено до типичного 2°C/с или меньше, хотя в тексте пользователя указано 20°C/с – останется как есть, но обратите внимание на возможную ошибку), а время выдержки контролируется в пределах 60–120 секунд, что позволяет большей части растворителя испаряться на стабильной платформе.

Резюме и предложения по сотрудничеству

Существует множество причин образования шариков припоя. Наша компания уделяет особое внимание профилактике при проектировании. Сначала мы статистически анализируем размеры компонентов и их соответствие конструкции контактной площадки, чтобы определить дизайн контактной площадки и выбрать апертуру трафарета. Если шарики припоя все еще встречаются, мы проводим дальнейший анализ, проверяя и проверяя весь процесс от печати до размещения, выявляя причины и внедряя улучшения. Это оказалось весьма эффективным и привело к снижению вероятности образования шариков припоя во время производства.

Мы надеемся обменяться идеями и поучиться у коллег, имеющих опыт решения проблем припоя, и будем рады указать на любые недостатки в этой статье.

Управление процессом SMT включает в себя множество аспектов; сбой в какой-либо одной области может вызвать проблемы. Поэтому, помимо инженеров-технологов SMT, отделы закупок и контроля материалов должны активно координировать свои действия с инженерами-технологами. Информирование об изменениях или заменах материалов необходимо для предотвращения дефектов, вызванных изменениями параметров процесса из-за изменений в материалах. Разработчики топологии печатных плат также должны больше общаться с инженерами-технологами, по возможности ссылаясь на их предложения по улучшению и реализуя их.