Новые возможности пайки в парофазной печи

Технология пайки электронных блоков в паровой фазе известна достаточно давно и имеет много названий в отечественных источниках: парофазная пайка, конденсационная пайка, пайка с конденсацией насыщенного пара и т.д. Получив достаточно широкое распространение в 1980-гг., эта технология наряду с такими несомненными преимуществами как высокая эффективность теплопередачи, стабильность пиковой температуры пайки, пайка в инертной среде имела свои недостатки: опасность повреждения печатных плат и электронных компонентов из-за высоких значений градиента нарастания температуры и применение в качестве рабочей жидкости фреона (что противоречит современным экологическим требованиям).
На современном этапе развития технология парофазной пайки представляет собой сплав традиционных преимуществ с новыми возможностями по монтажу электронных блоков. Рабочие жидкости не содержат фреон, соответствуют европейским экологическим требованиям и позволяют производить пайку электронных компонентов как с содержанием свинца, так и по бессвинцовой технологии. В 1999 г. компания Asscon представила технологию парофазной пайки с применением вакуума, основным преимуществом которой является возможность пайки электронных компонентов с минимальными значениями объёма пустот в паяных соединениях. При этом обеспечивается пайка электронных компонентов с достаточно большой площадью паяемой поверхности, а также с объёмом пустот в паяных соединениях, не превышающих 1–2%. Образование пустот при пайке является достаточно серьёзной проблемой, оказывающей отрицательное влияние на надёжность соединений, качественный отвод тепла и заземление.
Суть процесса парофазной пайки по технологии Asscon в том, что когда после оплавления припой ещё находится в расплавленном состоянии, электронный блок перемещается в вакуумную зону, в которой создаётся разряжение порядка 50 мбар (5,25 Па) в течение 7–15 с. В этот момент большая часть пустот перемещается к краю соединения и удаляется из него. Оставшиеся пустоты, как правило, составляют небольшой процент от объёма паяного соединения. В конце пайки осуществляется интенсивное охлаждение электронного блока при помощи замкнутой системы водяного охлаждения.
Осенью 2010 г. компания «Абрис-Технолоджи» приобрела систему парофазной пайки с вакуумным модулем Asscon VP800 компании ASSCON Systemtechnik-Elektronik (Германия) (см. рис. 1). В настоящее время у нас имеется возможность сравнить технологию парофазной пайки с традиционной технологией пайки в конвекционных печах оплавления.

Рис. 1. Парофазная печь с вакуумным модулем Asscon VP800 компании ASSCON Systemtechnik-Elektronik

Как правило, требования наших заказчиков к качеству монтажа электронных блоков ответственного применения жёстче, чем допускают стандарты IPC. В частности, максимально допустимый объём пустот в паяных соединениях для микросхем в корпусе BGA не должен превышать 7%. Более жёсткие требования предъявляются и к качеству монтажа микросхем, имеющих теплоотводящие площадки в основании корпуса (thermal pad), например QFP. При пайке печатных плат на основе базового материала FR-4 в конвекционных печах проблем с выполнением этих требований, как правило, не возникает. Однако при пайке печатных плат с большой теплоёмкостью, например плат с металлическим основанием толщиной более 2 мм, возникают сложности с удовлетворением этих требований. Подобные платы достаточно сложно нагреть, не выходя за границы технологического окна, а затем так же сложно остудить. В данном случае технологическое окно достаточно узкое, причем необходимо очень тщательно подходить к выбору паяльных материалов, профилей пайки, обеспечению требований производителей электронных компонентов и печатных плат и заказчиков. В случае какого-либо отклонения от заданных параметров пайка получается некачественной. Подбор профилей пайки и паяльных материалов занимает достаточно много времени, что крайне нежелательно для контрактного производителя.
Удачным решением в данной ситуации оказалось применение системы парофазной пайки. В качестве примера можно сравнить качество монтажа в микросхемы в корпусе QFN-40 при использовании конвекционной печи оплавления (см. рис. 2а) и качество повторной пайки этого же электронного блока в системе парофазной пайки (см. рис. 2б).

а)	б)
Рис. 2. Рентгеновский снимок фрагмента ИС в корпусе QFN-40+1-0.5 после монтажа на 10-слойную ПП толщиной 1,6 мм (на основе материала Nelco N4000-13 EP, финишное покрытие — иммерсионное серебро) посредством конвекционной пайки (а) и после дополнительной пайки в парофазной печи с вакуумным модулем (б). Серые пятна на фотографиях — пустоты

При использовании системы парофазной пайки отмечается уменьшение как количества пустот в паяном соединении, так и их объёма. Этот эффект особенно выражен на больших поверхностях. Аналогичная ситуация с выводами микросхем в корпусе SOIC (см. рис. 3а и 3б), а также с чип-компонентами (см. рис. 4а и 4б), где выражен, но не столь ярко, эффект уменьшения количества пустот. Пайка производилась с помощью паяльной пасты, содержащей свинец. Финишное покрытие печатной платы — иммерсионное серебро, бессвинцовые электронные компоненты.

а)	б)
Рис. 3. Рентгеновский снимок выводов ИС после монтажа на ПП посредством конвекционной пайки (а) и после дополнительной пайки в парофазной печи с вакуумным модулем (б)

Кроме того, по результатам работы над подобными заказами мы отметили лучшую паяемость выводов электронных компонентов и контактных площадок по сравнению с конвекционной пайкой. При этом припой равномерно растекается по поверхностям выводов и контактных площадок. Паяное соединение блестит, в т.ч. при бессвинцовой и смешанной пайке. Этот эффект связан с отсутствием окислительных процессов при пайке.

а)	б)
Рис. 4. Монтаж резисторов в корпусе 0603 посредством конвекционной пайки (а) и после дополнительной пайки в парофазной печи с вакуумным модулем (б)

Можно с уверенностью сказать, что система парофазной пайки Asscon VP800 позволяет нам выполнять заказы ответственного применения на новом, более высоком качественном уровне. А в некоторых ситуациях мы имеем возможность выбирать способы пайки электронных блоков, не ограничивая реализацию технических требований наших заказчиков единственной технологией.
Необходимо отметить, что, несмотря на явные преимущества парофазной пайки, данная технология имеет ряд ограничений и особенностей, которые необходимо учитывать как конструкторам при проектировании изделий, так и технологам при разработке технологического процесса.
Одним из них является ограничение при пайке плат с электронными компонентами, рас­положенными с двух сторон. Главное преимущество этой технологии – однородный нагрев всех объектов, находящихся в паровой среде, — ограничивает возможности её приме­нения, т.к. при пайке второй стороны платы существует риск «потерять» тяжёлые компоненты (реле, разъёмы, трансформаторы, микросхемы и т.д.), которые находятся в процессе пайки с «нижней» стороны платы. Стандартное решение этой проблемы — фиксация компонентов на печатной плате — в нашем случае малопригодно. Это связано с применяемыми в нашей компании технологическими процессами. Чтобы разрешить противоречие, мы вынуждены учитывать это ограничение при пайке электронных блоков в парофазной печи. Кроме того, мы настойчиво рекомендуем клиентам при разработке изделия размещать все тяжёлые электронные компоненты с одной стороны печатной платы.
При монтаже электронных блоков мы используем для пайки электронных компонентов печи как конвекционного оплавления, так и парофазную печь. На основании опыта и сравнения результатов можно с уверенностью сказать, что после парофазной пайки некоторые типы дефектов возникают гораздо чаще, чем это происходило бы при использовании конвекционных печей.
При пайке в парофазной среде можно выделить несколько характерных типов дефектов, таких как повреждение электронных компонентов (эффект попкорна), возникновение шариков припоя, смещение электронных компонентов относительно контактных площадок на печатных платах и возникновение дефектов типа «надгробный камень». При этом решение лишь нескольких проблем было для нас сложным.
Основной проблемой стало возникновение дефектов типа «надгробный камень». Причём наиболее заметно этот дефект проявляется при пайке печатных плат с большой теплоёмкостью (плат на металлическом основании). Причины возникновения этого дефекта многократно и подробно описаны во множестве источников [1–3]. В случае с парофазной пайкой достаточно стремительный нагрев печатной платы, паяльной пасты и электронных компонентов приводит к неравномерному смачиванию припоем контактных площадок чип-компонентов. Следствием этого является разница в силах поверхностного натяжения между контактными площадками и выводами чип-компонентов, что приводит к отрыву одного из выводов от поверхности контактной площадки.
Из ряда стандартных рекомендаций по устранению возможности возникновения данного дефекта можно выделить следующие.
1. Уже упомянутая выше фиксация (приклейка) компонентов на плате. С одной стороны, она позволяет решить обе проблемы сразу. С другой, возникает необходимость в дополнительной операции по приклейке компонентов и действиях при ремонте электронного блока.
2. Более тщательный подход к проектированию печатных плат. В частности, контактные площадки должны иметь одинаковые геометрические размеры. Объединение контактных площадок с полигонами крайне нежелательно. Недостатком этого способа являются ограничения, связанные с особенностями проектирования печатных плат. Например, для электронных блоков, работающих в СВЧ-диапазоне или в приложениях силовой электроники, нежелательно, а в некоторых ситуациях невозможно выполнить это требование.
3. Построение термопрофиля пайки таким образом, чтобы максимально увеличить время предварительного нагрева, уменьшив градиент нарастания температуры. При этом наиболее важен участок термопрофиля пайки непосредственно перед оплавлением паяльной пасты. К сожалению, не всякая паяльная паста позволяет выполнить эту рекомендацию, поскольку флюс при температурах близких к температуре ликвидуса достаточно быстро истощается. В нашем случае наличие вакуумной зоны в парофазной печи несколько затрудняет контроль термопрофиля печи с использованием термопар или беспроводного регистратора температуры. В данной ситуации основным методом построения корректного термопрофиля является подбор материалов и режимов работы печи опытным путём.
4. Использование трафаретов для нанесения паяльной пасты максимально возможной толщины. Трафареты толщиной около 150 мкм с уменьшением линейных размеров апертур до 10% относительно линейных размеров контактных площадок на печатных платах позволяют контролировать образование дефектов пайки. В данной рекомендации также существует противоречие: при необходимости монтажа электронных компонентов, имеющих небольшие по размеру контактные площадки на печатных платах, возникают сложности с качеством нанесения на них паяльной пасты.
Можно заметить, что способы решения проблемы возникновения дефекта типа «надгробный камень» ограничены по возможности применения. Тем не менее при определённом опыте эта проблема решается.
Дефекты пайки, связанные с появлением шариков припоя, как правило, являются следствием неправильного выбора термопрофиля пайки либо неоптимального выбора паяльной
пасты.
В заключение хотелось бы обратить внимание на то, что, несмотря на имеющиеся сложности и ограничения, технология парофазной пайки имеет свои преимущества, а в некоторых случаях является единственным возможным техническим решением по обеспечению качественной пайки электронных компонентов. Примером таких задач могут стать 3D-монтаж электронных компонентов, монтаж электронных компонентов критичных к значениям пиковой температуры пайки (в т.ч. при смешанной и бессвинцовой пайке) и т.д. Хочется надеется, что в будущем эта технология получит дальнейшее развитие.