Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 9 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Требования по конструированию печатных плат под селективную пайку выводных компонентов. Часть 2*

В статье приведены производственные требования ООО «Альтоника» по конструированию плат для скоростного способа пайки. В тех случаях, когда описаны исключения, предполагается, что пайка будет осуществляться насадкой. Тем не менее при трассировке платы необходимо стремиться к выполнению требований под адаптерную пайку. В том случае, если часть элементов выполнена под требования пайки насадкой, на производстве придется использовать комбинированную пайку.

Паяемость печатных плат и компонентов — критерий надежности функционирования электрических схем

Качество функционирования и степень надежности современных электронных сборочных узлов порой оставляет желать лучшего. Какие меры следует принять на этапе выбора типа паяемых печатных плат, компонентов и применяемых для пайки материалов с целью повышения качества производимой электронной продукции? Определение качества производимой продукции на этом этапе, по сути, является прогнозированием надежности. Следовательно, такие возможности позволяют вносить своевременные коррективы в процесс производства и снижать затраты на переработку, требуемую при наличии бракованных экземпляров или партий. В статье рассмотрены возможности современного оборудования по определению одного из наиболее важных критериев определения качества функционирования электронной продукции — паяемости — на базе системы MUST 3 компании GEN 3 Systems (Великобритания).

Требования по конструированию печатных плат для автоматического поверхностного монтажа

 

16 декабря

Реболлинг и проблема обеспечения надежности паяных соединений

Обеспечение высокой надежности электронных модулей (для критически важных приложений), работающих в жестких условиях эксплуатации, требует применения особых методов пайки соединений. В статье обсуждаются вопросы применения BGA-микросхем с бессвинцовыми шариковыми выводами в устройствах с повышенными требованиями к надежности путем использования реболлинга при монтаже BGA-компонентов.





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
Тел.: (495) 741-77-01
34
www.elcp.ru
монтаж компонентов
Обеспечение высокой надежности электронных модулей (для критически важных приложений), работающих в
жестких условиях эксплуатации, требует применения особых методов пайки соединений. В статье обсуждаются
вопросы применения BGA-микросхем с бессвинцовыми шариковыми выводами в устройствах с повышенными тре-
бованиями к надежности путем использования реболлинга при монтаже BGA-компонентов.
Реболлинг — замена шариковых
выводов у микросхем в корпусе типа
BGA (Ball Grid Array). Проблема за-
мены (восстановления) шариковых
выводов BGA-корпуса возникла в
связи с необходимостью выполне-
ния демонтажа/монтажа (перепайки)
микросхем данного типа в случае, на-
пример, необходимости устранения
короткого замыкания между вывода-
ми. Оборудование и технология этой
операции отработаны и в настоящее
время существует несколько техноло-
гических схем, из которых наиболее
совершенной, по-видимому, является
следующая.
– После демонтажа микросхе-
мы производится очистка (удаление
остатков припоя) контактных площа-
док; затем на контактные площадки
трафаретом (или дозатором) наносит-
ся припойная паста.
– На пасту устанавливаются го-
товые шарики (их можно приобрести
как расходный материал).
– Проводится цикл оплавления по
стандартному тепловому профилю.
В результате выполнения этих опе-
раций микросхема считается восста-
новленной и готовой к следующему
циклу пайки.
В связи с введением в 2006 году в
Европе и некоторых других регионах
директивы ROHS (Ограничение при-
менения вредных веществ) в решении
задачи реболлинга возникли новые
проблемы, связанные с возможностью
смешанной комплектации электрон-
ных модулей. Смешанная комплекта-
ция — это наличие в составе комплек-
тующих электрорадиоэлементов (ЭРЭ)
как со свинецсодержащим, так и с бес-
свинцовым покрытием.
Необходимо подчеркнуть, что во-
просы, рассматриваемые в данной
статье, касаются только электрон-
Илья Лейтес,
гл. технолог ОАО НИЦЭВТ
leytes@ nicevt.ru
РеБоЛЛИнГ И пРоБЛема оБеСпеЧенИЯ
наДежноСтИ паЯнЫХ СоеДИненИЙ
ных модулей спецприменения, т.е.
устройств, к которым предъявляются
повышенные требования по надежно-
сти при жестких условиях эксплуата-
ции в течение длительных гарантий-
ных сроков. В частности, речь идет о
военной, аэрокосмической, медицин-
ской и сложной вычислительной тех-
нике, т.е. аппаратуре, отказ которой
может привести к катастрофическим
последствиям.
Ввиду особых требований к таким
модулям, их комплектация вообще
не должна в своем составе содержать
так называемые бессвинцовые ком-
поненты, поскольку надежность бес-
свинцовых паяных соединений ниже
традиционной пайки эвтектически-
ми свинцово-оловянными припоями
(ПОС-61, Sn 63, Sn 62).
В директиве ROHS четко опреде-
лены категории изделий, на которые
распространяются ограничения по
применению опасных веществ. Как
показывает практика, специалисты
слабо знакомы с этой директивой, по-
этому имеет смысл перечислить здесь
те 8 категорий изделий EEE (Electrical
and Electronic Equipment), на кото-
рые она распространяется (изделия,
функционирующие с напряжением,
не превышающим 1000 В переменно-
го тока и 1500 В постоянного тока):
– крупные бытовые электропри-
боры;
– малые бытовые электроприборы;
– информационно-технологи-
ческое и телекоммуникационное обо-
рудование;
– потребительское оборудование;
– осветительная аппаратура;
– электрические и электронные
инструменты;
– игрушки, принадлежности для
отдыха и спорта;
– торговые автоматы.
Кроме того, директивой ROHS
определены следующие изделия EEE,
на которые не распространяются ее
требования:
– изделия военного и космического
применения;
– отдельные виды медицинского
оборудования;
– оборудование мониторинга и кон-
троля;
– крупное стационарное промыш-
ленное оборудование;
– изделия, входящие в оборудова-
ние, находящееся вне рамок Директивы
(например, в автомобилях, поездах, са-
молетах);
– изделия, входящие в раздел
Fixed Installations, т.е. комбинацию
нескольких видов оборудования,
смонтированных для совместной ра-
боты и не поставляемые на рынок как
отдельные изделия;
– аккумуляторы и батареи;
– запасные части для ремонта,
обслуживания и усовершенствования
оборудования, поставленного на ры-
нок до 1-го июля 2006 г.
Вспомните крылатую фразу ле-
сковского Левшы: «Передайте царю-
батюшке: англичане ружья кирпичом
не чистят!»
Следует подчеркнуть, что причи-
ны появления смешанной (свинцовой
и бессвинцовой) комплектации носят
как субъективный, так и объективный
характер. Среди этих причин можно
отметить следующие.
1. Проблемы при разработки спе-
ци фикации: разработчики не знают
или не хотят учитывать фактор бес-
свинцовости.
2. Проблемы при закупке ком-
плектующих ЭРЭ: снабженцы не
знают или не хотят учитывать фактор
бессвинцовости; поставщики настой-
чиво предлагают или по умолчанию
background image
ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОНИКИ: ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ
35
№ 8, 2008
монтаж компонентов
включают в поставку бессвинцовые
компоненты.
3. Непреодолимый ценовой или
организационный барьер при закупке
комплектации категории MIL.
Что же следует предпринять разра-
ботчикам и изготовителям аппаратуры
специального назначения, учитывая
сложившееся положение дел, для обе-
спечения действительно высоких тре-
бований по надежности устройств?
Ответ на этот вопрос может быть
следующим.
1. Свести к минимуму бессвинцо-
вую номенклатуру ЭРЭ, используе-
мую в разрабатываемой аппаратуре.
2. Строго требовать от поставщи-
ков сертификации микросхем, в том
числе и по номенклатуре паяемого
покрытия выводов. Номенклатура
бессвинцовых покрытий по IPC 1066
приведена на рисунке 1.
3. При наличии смешанной ком-
плектации реализовывать мероприятия
по обеспечению требуемого уровня на-
дежности.
Последний пункт следует рас-
смотреть особо. Надежность изделия
зависит от сочетания применяемых
при монтаже элементов покрытия и
припоев. Можно выделить несколько
вариантов этих сочетаний (в порядке
уменьшения надежности).
1. Пайка свинцово-оловянным
припоем по такому же или полностью
обратно совместимому покрытию
(е4). Этот вариант является идеаль-
ным с точки зрения обеспечения на-
дежности.
2. Пайка свинцово-оловянными
припоями по бессвинцовым покры-
тиям (е1, е2, е3) — допустимый и наи-
более приемлемый вариант в условиях
смешанной комплектации. В этом слу-
чае формируются паяные соединения
с несколько увеличенным (по сравне-
нию с эвтектикой) содержанием оло-
ва, что не приводит к существенному
снижению уровня надежности паяных
соединений.
3. Пайка бессвинцовыми припоя-
ми по бессвинцовым покрытиям (е1,
е2, е3). Этот вариант соответствует
требованиям директивы ROHS, одна-
ко не рекомендуется для применения
в аппаратуре с повышенными требо-
ваниями по надежности. Его можно
рекомендовать только для изготовле-
ния бытовой аппаратуры, особенно в
случае ее экспорта в страны, где дей-
ствует директива ROHS.
4. Пайка бессвинцовыми припоя-
ми по свинецсодержащим покрыти-
ям. Этот вариант обеспечивает самую
низкую надежность. В данном случае
наблюдается явление так называемого
отравления свинцом бессвинцовых па-
яных соединений, поэтому этот вари-
ант не рекомендуется к применению.
Из перечисленных выше вариантов
видно, что наиболее приемлемым ре-
шением, который можно рассматри-
вать в качестве альтернативы самого
надежного пути (вариант 1) является
вариант 2. Поэтому именно его реали-
зацию мы и рассмотрим подробно.
В качестве основных технологи-
ческих и организационных методов,
которые применяются при пайке
с использованием эвтектического
свинцово-оловянного припоя, можно
выделить следующие.
– Минимальное использование
бессвинцовых комплектующих.
– Использование комплектации с
покрытием выводов с полной обрат-
ной совместимостью (е4 — для микро-
схем и иммерсионное золото — для
печатных плат).
– Получение максимально пол-
ных и точных данных о паяемых по-
крытиях из сертификатов, а также ис-
пользуя тестовые комплекты паяемых
покрытий (Lead-check) и рентгенов-
ские анализаторы покрытий.
– Использование наиболее эф-
фективных материалов (например,
свинецсодержащая припойная паста
МР218 ф. Мультикор с повышенной
температурой активности флюса по-
зволяет паять покрытия е1, е2, е3 при
повышенной температуре 240…250°С).
При этом необходимо учитывать сни-
жение уровня MSL по IPC .
– Перелуживание выводов ком-
понентов. Эта процедура известна
и определена во всех зарубежных и
отечественных стандартах, регла-
ментирующих требования к выводам
микросхем, покрытых гальваниче-
ским золотом. Этот процесс широко
использовался в 60-80-х гг прошлого
века при производстве аппаратуры
спецназначения. (Оппоненты могут
вспомнить о потере гарантии на ми-
кросхему. Однако, кому нужна гаран-
тия, если пайки ненадежные?).
Возвращаясь к проблеме ребол-
линга, следует сказать, что рассматри-
ваемый вариант сочетания покрытия
и припоя, к сожалению, не применим
для монтажа микросхем в корпусах
BGA с бессвинцовыми шариковыми
выводами. Дело в том, что именно
материал шарика определяет метал-
лургию паяного соединения и пайка
бессвинцовых шариковых выводов
свинецсодержащим припоем (при-
пойной пастой) относится к вариан-
ту 4, не допустимому с точки зрения
надежности.
Таким образом, для обеспечения на-
дежности монтажа микросхем в корпусе
типа BGA c бессвинцовыми шариками
альтернативы реболлингу нет.
Рассмотрим некоторые общие по-
ложения, связанные с процессом пай-
ки и контроля паяных соединений
микросхем в корпусе BGA.
В исходном состоянии (до пайки)
шариковые выводы микросхемы име-
ют близкую к сферической форму (см.
рис. 2). В процессе пайки при расплав-
лении материала шарика за счет сил
поверхностного натяжения происхо-
Рис. 1. Категории бессвинцовых материалов и их маркировка
Рис. 2. Микросхема в корпусе типа BGA с
шариковыми выводами
background image
Тел.: (495) 741-77-01
36
www.elcp.ru
монтаж компонентов
дит проседание микросхемы (шарико-
вые выводы принимают сплюснутую
форму — так называемый «коллапс»
шарика). В этот момент происходит
самоцентрирование микросхемы от-
носительно контактных площадок по-
садочного места, и «коллапс» шариков
является одним из основных призна-
ков формирования надежного паяного
соединения (см. рис. 3). В свою оче-
редь отсутствие проседания (см. рис. 4)
говорит о ненадежности соединений и
высокой вероятности нарушения кон-
тактов на ранних стадиях эксплуата-
ции или уже во время наладки устрой-
ства, что подтверждается практикой.
Как правило, это происходит при
пайке бессвинцовых шариков с ис-
пользованием эвтектического олово-
свинцового припоя по стандартному
температурному профилю для эвтек-
тики с максимальной температурой
210…220°С или при пайке микросхем с
неоплавляющимися шариками какого-
либо менее распространенного состава
(например, 90% Рb, 10% Sn ).
Кроме визуального контроля фор-
мы шарика и наличия галтели смачи-
вания, эффективным методом явля-
ется рентгеновский контроль пайки
микросхем в корпусе BGA. Крите-
риями качества паяных соединений
при рентгеновском контроле являет-
ся правильность (сферичность) фор-
мы при виде сверху, повторяемость
размеров, минимальное количество
пустот, наличие галтели смачивания
(см. рис. 5). Последний параметр, ко-
торый является определяющим при
оценке качества пайки, требует нали-
чия определенного опыта у операто-
ра и технических возможностей обо-
рудования по максимальному числу
градаций серого при визуализации
рентгенограмм. Для облегчения кон-
троля галтели смачивания при фор-
мировании паяного соединения ре-
комендуется специальная адаптация
посадочного места корпуса BGA (см.
рис. 6), позволяющая легко опреде-
лять наличие смачивания на рентге-
нограммах.
Контроль наличия трещин паяных
соединений (которые могут возник-
нуть, как правило, на стадии эксплуа-
тации или испытаний) производится
с помощью исследовательских рент-
геновских комплексов, оснащенных
мощным программным обеспечением.
При пайке микросхем в корпусе
BGA необходимо тщательно соблю-
дать требования MSL по IPC/JEDEC-
J-STD-020C (см. таблицу 1). Срок
годности компонента после вскрытия
упаковки (floor life) определяет пери-
од времени с момента вскрытия защи-
щенной от влажности вакуумной упа-
ковки до момента пайки компонента
в процессе reflow. Наивысший уро-
вень (MSL 1) означает, что компонент
не требует ни специальной вакуумной
упаковки, ни температурной обработ-
ки компонента перед процессом его
монтажа, а также имеет неограничен-
ный срок годности.
В случае пайки микросхем спустя
срок, превышающий допустимый по-
сле вскрытия герметичной упаковки,
необходимо проводить процедуру
вакуумной сушки. При пайке микро-
схем с традиционными свинцовыми
шариками (покрытиями выводов) по
термопрофилю для смешанной ком-
плектации с повышенной максималь-
ной температурой следует ориентиро-
ваться на уровень MSL на 2 ступени
выше указанного на упаковке.
Рис. 3. «Коллапс» шарика в момент пайки
микросхемы
Рис. 4. Отсутствие проседания микросхемы
во время пайки из-за ненадежного
соединения шариковых выводов с
контактными площадками
Рис. 5. Рентгеновский контроль качества пайки микросхем в корпусе BGA
Таблица 1. Срок годности компонента после вскрытия упаковки в зависимости от уровня
MSL по IPC/JEDEC-J-STD-020C
MSL
Срок годности
Условия
1
неограничен
≤30°С/85%RH
2
1 год
≤30°С/60%RH
4 недели
≤30°С/60%RH
3
168 часов
≤30°С/60%RH
4
72 часа
≤30°С/60%RH
5
48 часов
≤30°С/60%RH
24 часа
≤30°С/60%RH
6
Срок указан на этикетке
≤30°С/60%RH
background image
ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОНИКИ: ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ
37
№ 8, 2008
монтаж компонентов
ЗакЛюЧенИе
Отметим следующие основные вы-
воды.
1. Бессвинцовая пайка не предна-
значена для применения в изделиях, к
которым предъявляются повышенные
требования к надежности и условиям
эксплуатации.
2. На сегодняшний день нет возмож-
ности избежать смешанной комплекта-
ции, в том числе в электронных модулях
аппаратуры специального назначения.
3. Существуют следующие мето-
ды решения проблемы смешанной
комплектации, обеспечивающие при-
емлемые уровни надежности паяных
соединений:
– использование полностью обрат-
но совместимых паяемых покрытий;
– перелуживание микросхем с
планарными выводами (желательно);
– реболлинг бессвинцовых шари-
ков микросхем BGA (обязательно);
– использование технологии пай-
ки смешанной комплектации при-
пойными пастами с эвтектическим
олово-свинцовым припоем и флюсом
с повышенной температурой актив-
ности по соответствующему тепловому
профилю.
В заключении следует сказать, что
в ОАО «НИЦЭВТ» проведена модер-
низация монтажно-сборочного цеха,
введено в эксплуатацию оборудова-
ние поверхностного монтажа (линей-
ка автоматизированного оборудова-
ния английской фирмы Europlacer:
трафаретная печать, установщик
компонентов, конвекционная печь),
позволяющее осуществлять техно-
логический процесс поверхностного
монтажа, в том числе в среде азота.
Кроме того, освоена технология
реболлинга (для изделий, собираемых
на линии поверхностного монтажа с
последующим контролем паяных со-
единений на рентгеновской установ-
ке). Операция реболлинга проводится
на профессиональном ремонтном
центре (ф. Мартин, Германия).
Рис. 6. Адаптация посадочного места корпуса
BGA для контроля наличия смачивания
новоСтИ РЫнка
Компания ООО «УниверсалПрибор» и всемирно известная
компания «BANNER» подписали дистрибьюторское соглаше-
ние. Компания BANNER, основанная в 1966 г., является круп-
нейшим производителем оборудования в сфере автоматизации,
а именно в области фотоэлектрических, магнитных датчиков,
видеосенсоров и оптических систем ограждения зон промыш-
ленной опасности. Подробную техническую информацию мож-
но найти на сайте производителя www.bannerengineering.com.
новинки для производителей систем автоматизации
новоСтИ РЫнка
Компания Conductive Compounds предлагает двухком-
понентный адгезив с серебряным наполнителем EP-600 для
монтажа резисторов, LED и проводников заземления на ме-
таллические и пластиковые подложки. EP-600 рассчитан на
использование в тех случаях, когда пайка компонентов или их
монтаж адгезивами с высокой температурой полимеризации
недопустимы.
Материал может наноситься трафаретной печатью или
точками с помощью диспенсера. Низкая температура отвер-
ждения, от 20 до 140°C, позволяет использовать клей для соз-
дания схем на подложках из PTF. Время полимеризации за-
висит от температуры и не превышает 2—6 минут при 140°C и
48 часов при комнатной температуре.
Сцепление (адгезия) EP-600 с подложками из PET на 30-40%
выше по сравнению с другими проводящими клеящими мате-
риалами, а скорость нанесения диспенсером — выше на 70%.
www.russianelectronics.ru
низкотемпературный проводящий эпоксидный адгезив
новоСтИ РЫнка
Компания предлагает использовать SchmartSolder —
кольца небольшого диаметра из припоя, которые надева-
ются на проволочные выводы компонентов.
Расплавленный припой хорошо смачивает выводы и бы-
стро заполняет отверстия, не создавая перемычек.
www.russianelectronics.ru
компания SchmartBoard упрощает монтаж компонентов в отверстия
Оцените материал:

Автор: Илья Лейтес, гл. технолог ОАО НИЦЭВТ, leytes@ nicevt.ru



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты