Технологія і обладнання для нанесення припойними пасти

Міністерство освіти Республіки Білорусь

Заклад освіти «Білоруський державний університет

інформатики і радіоелектроніки »

Кафедра РЕЗ

РЕФЕРАТ

На тему:

«ТЕХНОЛОГІЯ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ НАНЕСЕННЯ припойними пасти»

МІНСЬК, 2008

1. Характеристика властивостей припойними паст і особливості їх вибору

Припойними пасти широко використовуються в технології ПМ та їх фізичні властивості роблять значний вплив на характеристики паяних з'єднань. Тому до них додається ряд специфічних вимог. Перш за все паста після нанесення повинна зберігати свою форму, положення та потрібну товщину, володіти властивостями, що клеять (для виключення зсуву під час пайки). B той же час паста повинна мати відносно низьку в'язкість (для забезпечення технологічності при нанесенні її через трафарет).

До складу припойними паст входять матеріал припою, флюс, сполучна речовина, органічний розчинник та різні спеціальні добавки, що надають пасті необхідні властивості, наприклад в'язкість. Основною складовою частиною припойними пасти є порошок припою, одержуваний шляхом пульверизації розплаву припою через спеціальні сопла. Порошок повинен бути сферіческай форми (відповідно до стандарту IPC - SP -819, ставлення довжини до ширини повинне знаходитися в межах 1,5-1,0) c діаметром кульки припою від 0,125 до 0,04 мм. Чим дрібніше порошок, тим якісніше паста (c струми зору реологічних властивостей), але зате різко скорочується термін її збереження через підвищену окислюваності припою. Слід звернути увагу, що при використанні пасти з основною фракцією порошку припою менше 40 мкм погіршується якість відмивання через великої кількості окислених часток, понад 70 мкм - утворюються великі кульки припою, які, потрапляючи під корпусу компонентів і проникаючи в захисний шар ПП, важко видаляються, що може викликати замикання. Найкращі результати виходять при використанні припойними пасти з фракцією порошку 40-60мкм (рис. 1).

Рис. 1. Мікрофотографія припойними пасти з гарною якістю диспергування частинок порошку пр іпоя

Припойними пасти характеризуються складними реологічними властивостями. З точки зору реології вона представляє собою тиксотропні, псевдоупругую суміш. Тиксотропність - це властивість рідин змінювати в'язкість у часі під дією постійного зсувного зусилля. Таке явище пов'язане з наявністю петлі гістерезису в залежності напруги зсуву від швидкості зсуву при збільшенні і подальшому зменшенні останньої. Тіксопропное поведінка припойними пасти викликає зміну її в'язкості протягом часу від останнього перемішування до нанесення на плату, що негативно впливає на повторюваність її технологічних властивостей. Аналогічні результати виходять при вимірюванні в'язкості пасти в різні моменти часу після перемішування.

На реологічне поведінка пасти при трафаретного друку впливає кілька чинників, основними є форма і розміри часток, вміст припою в пасті. Як вже згадувалося, частинки з формою, близькою до сферичної, чинять найменший абразивну дію на трафарет, що збільшує термін їх служби. Звичайно ж, при незмінних умовах навколишнього середовища в'язкість паст буде знижуватися з зменшенням розміру частинок. Слід відзначити також, що властивості паст можна змінювати за допомогою спеціальних модифікаторів.

Звичайний зміст припою в пасті становить 85-92%. Частіше за все склад припойними паст виражається як співвідношення інгредієнтів, що входять до його складу, наприклад: 63/37- 63% олова і 37% свинцю (найбільш широко застосовуваний склад для ПМ). Зі збільшенням змісту припою затрудняється нанесення пасти через трафарет, зростають також розвиваються ракелем зусилля, однак зменшується і розтікання припою при його нагріванні, що знижує ймовірність утворення перемичок і напливів. Якщо в окремих деталях і корпусах існують срібні контакти (висновки), то використовуються серебросодержащие припойними пасти (вміст срібла не менше 2%). Такі пасти мають підвищену корозійну стійкість і пластичність, запобігають міграцію срібла з висновків, а головне знижують результуючу силу поверхневого натягу при пайку.

В якості сполучного речовини в припойними пастах використовують добавки епоксидних смол. Якщо паста наноситься на контактні площадки менше 1,25 мм, рекомендується застосовувати припойними пасту з етилцелюлоза. Рідше використовують неаргоніческіе з'єднання (оксид вісмуту, боросилікатне скло та ін.) Клеюча добавка повинна бути узгоджена за своїми фізико-хімічними властивостями з матеріалами флюсу і розчинника.

Як було зазначено вище у технології ПМ головним чином застосовуються олов'яно-свинцеві припої, характеристики яких наведені в табл. 1. При виборі припою враховуються вимоги механічної міцності, електричні та теплофізичні характеристики, а також їх вартість. Найбільш часто застосовуються евтектичні сплави 60 Sn / 40 Pb, 63 Sn / 37 Pb. Сплави з малим вмістом олова (5 Sn / 95 Pb, 10 Sn / 90РЬ) є найбільш дешевими, однак мають підвищену температуру плавлення і використовуються для лудіння виводів чіп-компонентів. З'єднання 50 Sn / 50 Pb відрізняється більш низькою смачиваемостью.

Сплави з добавками срібла (62 Sn / 36 Pb / 2 Ag) застосовуються для пайки компонентів з срібними покриттями висновків, так як наявність срібла у припої знижує розчинність срібного покриття висновків у олові. Ці припої володіють високою міцністю.

Ще більш високою міцністю, а також підвищеною смачиваемостью в порівнянні з олов'яно-свинцевими припоями відрізняються сплави олово-срібло (95 Sn / 5 Ag і евтектика 96,5 Sn / 3,5 Ag). Характерною особливість цих композицій є також висока стійкість до термоциклювання, що зумовлює перспективність їх застосування для пайки елементів з різним ТКЛР. Звичайно ж, вартість таких припоїв набагато вище, ніж олов'яно-свинцевих. Стійкість до термоциклювання підвищується ще більше при введенні в цей сплав сурми. Крім того, використовується і подвійний сплав олово-сурма (99 Sn / lSb), який покращує міцність з'єднання і рекомендується для застосування в умовах підвищеної повзучості.

Таблиця 1. Склад і основні характеристики припоїв

Для пайки компонентів, чутливих до перегріву, застосовуються сплави з добавками вісмуту (температура плавленія121 ° С для 40 Sn / 40 Pb / 20 Bi), які мають відносно високу міцність.

В останні роки велика увага приділяється розробці і застосуванню, безсвинцевим припоїв. Поряд з наведеними у табл. 3.2 припоями Sn / Ag, Sn / Bi застосовуються також сплави системи 99,3 Sn / 0,7 Cu (температура евтектики ТІ = 227 ° С), 99 Sn / 9 Zn (ТІ = 198 ° С), 65 Sn / 25 Ag / 10 Sb (TE = 233 ° С), 99,5 Sn / 3,5 Ag / l, OZn (Г /, = 217 ° С), 0,5 Sn / 7,5 Bi / 2, OAg (ТІ = 207-212 ° С), 95,5 Sn / 4, OCu / 0,5 Ag (Тпл = 216-222 ° С).

Флюс у складі припойними паст призначений для підвищення смачіваемосгі, розчинення оксидних плівок на поверхні висновків і контактних майданчиків, а також для запобігання їх окислення в процесі пайки. Він також зменшує тиксотропність паст з часом.

Слід мати на увазі, що для ефективної дії флюсу необхідно правильно вибрати температурно-часовий режим пайки, так як, наприклад якщо температура розігріву плати підвищується занадто швидко, то це призводить до випаровування розчинника, що входить до складу флюсу і до втрати його активності, розкладання та вигоряння інших компонентів, що погіршує якість пайки. Якщо процес нагріву завершений, то можуть не встигнути розчинитися всі оксиди.

У зарубіжній електронній техніці в даний час використовуються наступні види флюсів:

R - слабоактивні шлаки флюси на основі каніфнолі;

R _A - каніфольні активні флюси, і склад яких входять галогени, мінеральні кислоти і солі амінів; застосовуються для паяння металів, що мають погану змочуваність;

R _MA - каніфольні флюси середньої активності, активовані органічними кислотами, амінами, хлористими амінами;

О _А - органічні активні флюси

Важливі вимоги до флюсу - відсутність корозії і можливість їх легкого видалення після пайки.

Слід зазначити, що для приготування паст на основі припою олово-свинець (Sn-РЬ) найчастіше використовують слабоактивні шлаки каніфольні флюси (R _MA), які не утворюють корозійно-активних залишків. Зміст флюсу в пасті близько 2% при товщині наноситься пасти 0,05-0,25 мм.

Фірма «Heraeus» (Німеччина) має великий досвід в технології приготування припойними паст. Цією фірмою розроблені і випускаються припойними пасти, які умовно можна розділити на три групи: серебросодержащие, золотовмісні і пасти без благородних металів.

Вітчизняні припойними пасти ПП-111, ПП-112, ПП-113 і ПП-114 призначені для складально-монтажних робіт, виготовляються на основі припою ПОС-61. Найпоширенішою (доступної) є слабоактивних каніфольний паста ПП-112 АУК 0.029.009 ТУ, але головний її недолік полягає в застосуванні хлористого метилу при відмиванню ПП після пайки.

Паста ПЛ-114 призначена для водорозчинній очищення. У технології толстопленочной ГІС використовується широка гама припойними паст, застосування яких допустимо і в технології поверхневого монтажу (табл. 2).

Важливою операцією при виготовленні припойними паст є диспергування розплаву припою, яке може здійснюватися в струмені газу і ультразвуковим методом. При розпилюванні припою в струмені газу частки металу мають високу кінетичну енергію, їх фільтрація для відділення з металлогазовой суміші утруднена. Вихід такої суміші за межі робочого об'єму небезпечний і неприпустимий.

Більш прийнятним і безпечним служить ультразвуковий метод диспергування припою в дрібний порошок. Для цього методу характерна компактна зона розпилення і мала кінетична енергія частинок. Ультразвуковий метод забезпечує сферичну форму частинок і малий розкид значень діаметра. Для цих цілей застосовується вітчизняна установка ультразвукового диспергування УД-ЮМ, за допомогою якої можливо диспергування будь-якого низькотемпературного (170-270 ° С) припою в кількості 2-10 кг у зміну з розміром частинок 0,08 мм. Харчування диспергатора здійснюється від ультразвукового генератора УЗПЗ-1, 6.

Таблиця 2. - Вітчизняні припойними пасти

До складу припойними паст вводяться органічні наповнювачі, призначені для поліпшення розподілу порошку за обсягом композиту, забезпечення тиксотропність і зв'язки припою і флюсу в єдину масу. Склад органічних наповнювачів у багатьох випадках є «know how» фірм. Вони мають складну структуру, в основі якої лежать синтетичні смоли або їх комбінації, що відрізняються низькими розчинювальними властивостями і невисокою температурою плавлення. До складу паст входять також пластифікатори і сполуки, що викликають їх тиксотропність. Ці органічні наповнювачі забезпечують гомогенність паст, уповільнюють осідання порошку та освіта конгломератів.

Тривале зберігання паст представляє певні технічні труднощі, оскільки з часом відбувається поділ компонентів пасти: відділення флюсу, порошку припою, наповнювачів, що призводить до різкого погіршення властивостей паст. Для уповільнення протікання цих процесів рекомендується зберігання здійснювати при знижених температурах (2-5 ° С) або виробляти ретельне періодичне перемішування пасти. Для запобігання усмоктування вологи при охолодженні пасти необхідно зберігати в герметичній посуді і краще в атмосфері аргону, що дозволяє запобігти утворенню на її поверхні кірки. Пасти можуть зберігатися в таких умовах до 6 місяців з збереженням в'язкості в межах +5%.

2. Методи нанесення припойними пасти

Для нанесення припойними пасти на друковану плату застосовуються ті ж методи, що й для нанесення адгезиву: метод трафаретного друку і за допомогою спеціальних дозаторів. Найбільш широко використовується метод трафаретного друку (рис. 2). Його достоїнства і недоліки вже розглядалися вище. Для великосерійного виробництва найбільш важливою гідністю, визначальним широке застосування цього методу, є поєднання високої продуктивності з хорошою повторюваністю наносяться складних малюнків розташування контактних площадок.

Розглянемо особливості застосування методу трафаретного друку для нанесення припойними паст. Метод реалізує c я з допомогою металевих або сітчастих трафаретів і металевих шаблонів. Сітчастий трафарет представляє собою жорстку рамку, на якій натягнута металева або неметалічних сітка (рис. 3).

Рис. 2. Основні стадії трафаретного друку

Сітка в трафареті є несучою конструкцією для нанесення малюнка топології контактних майданчиків за допомогою фоточутливої ​​емульсії, що має задану товщину, яка спільно з сіткою визначає товщину шару, що наноситься припойними пасти. Цю товщину можна розрахувати за допомогою наступного виразу:

t _пс = t _з k + t _е,

де t _nc - товщина нанесеного шару пасти (рис. 3); t _с - товщина сітки; t _е - товщина емульсії; k - коефіцієнт прозорості сітки (табл. 3).

Рис. 3. Розрахункова схема товщини шару припойними пасти, що наноситься через сітчастий трафарет

Таблиця 3 - Параметри сіток для трафаретів

Як видно з таблиці, сітки трафаретів виготовляються з поліестеру і нержавіючої сталі. Більш дешевим матеріалом є поліестер. Він має високу температуру плавлення, гарну хімічну стійкість, стабільність розмірів, високу твердість поверхні, малу величину плинності під навантаженням, а також низьке вологопоглинання. Однак у порівнянні з нержавіючої сталлю поліестер має меншу міцність, що не дозволяє застосовувати для сіток провідники малих діаметрів. Тому трафарети з сітками з нержавіючої сталі витримують значно більші значення розтягуючих зусиль при натягу сітки на рамку, що забезпечує велику точність при нанесенні паст на великі робочі поверхні. Крім того, за рахунок меншого діаметра ниток такі трафарети дозволяють отримувати осередку більшої площі при одному і тому ж їх кількості на одиницю поверхні, що забезпечує їх велику прозорість.

Стандартна товщина трафарету в технології ПМ становить 200мкм. Враховуючи різноманітність паст, в деяких випадках можуть застосовуватися й інші товщини (наприклад, 175,130 мкм). Для компонентів з малим кроком висновків (Р ≥ 0,4 мм) використовуються трафарети товщиною 120 мкм найчастіше східчастої форми (рис. 4).

Рис. 4. Трафарет східчастої форми для компонентів з малим кроком висновків

Враховуючи технологічні особливості трафаретного друку та реологічні властивості паст, розміри вікна (ширина і довжина) вибираються менше розмірів контактної площадки. Рекомендуються наступні співвідношення для розрахунку розмірів вікна трафарету:

де W - розмір контактної площадки (W ≥ 0,4 мм, товщина трафарету 200 мкм).

Для випадку W <0,4 мм (товщина трафарету 120 мкм):

При великих розмірах вікон трафаретів (більше 2 мм) в припойними пасті можуть з'являтися прогалини (порожнечі, поглиблення). Для виключення цього недоліку рекомендується великі вікна розділяти на кілька малих, як це показано на рис. 5.

При цьому слід використовувати наступні рекомендації:

• якщо розмір контактної площадки дорівнює 2-3 мм, то число вікон вибирається рівним 2, якщо 3-4 мм, то 3 (рис. 3.15);

• відстань між зовнішньою кромкою вікна та контактної майданчиком вибирається у відповідності з наведеними виразами і становить 0,05 і 0,015 мм;

Рис. 5. Приклад поділу великого вікна

• товщина стінок між вікнами, виходячи з умов механічної стабільності трафарету, вибирається від 0,2 до 0,3 мм;

• розмір вікон повинен бути кратний 0,1 мм.

При ультрамалої кроці контактних майданчиків (Р <0,4 мм) може спостерігатися такий дефект трафаретного друку, як розтікання («розмазування») припойними пасти. Усунення цього дефекту досягається виготовленням трафарету з меншими допусками на розміри вікон, застосуванням вікон з розширеною нижньою частиною, регулярної відбитків нижній частині трафарету.

Вікна високоточних трафаретів виконуються методами хімічного травлення (до 0,5 мм), за допомогою лазерного фрезерування (менше 0,3 мм). В останні роки для цих цілей застосовується метод електрохімічного осадження нікелю.

Рис. 6. Конструкція ракеля для трафаретного друку ПМ-виробів (а), для ГІС (б)

На відміну від технології ГІС при ПМ використовуються металеві ракелі ромбовидного або прямокутного перерізу з алмазним покриттям, що забезпечує якісне нанесення пасти на плати великої площі і велику зносостійкість їх робочих поверхонь (рис.6).

Для нанесення припойними паст при дрібносерійному виробництві (як і адгезиву) ефективним є застосування точкових доз a торів (dispensing). В даний час є два різновиди цього методу: дозування за рахунок вибору тиску в диспенсері і часу видавлювання («time - pressure» method) (рис. 7) і за допомогою черв'ячного екструдера («rotary - pump» method) (рис. 8) .

Застосовувана оснащення і режими роботи діспенсірованія повинні забезпечити необхідну масу, форму і позицію точки припойними пасти на контактній площадці. Для отримання необхідної якості паяних з'єднань маса припойними пасти в точці повинна становити від 0,22 мг (ІМС з кроком 0,65 мм) до 1,16 для транзисторних корпусів. Допустиме відхилення маси точки (2о) повинно бути не більше 25%. Для зменшення розтікання припойними пасти за межі контактної площадки відношення маси пасти до діаметру точки повинно бути 0,5 мг / мм для малих точок (0,2 - 0, 35 мг) і близько 1 мг / мм для великих точок (0,35 - 1,1 мг).

При використанні першого методу необхідна маса і діаметр точки припойними пасти o 6 e спечіваются за рахунок вибору тиску в циліндрі і часу видавлювання. Ці параметри будуть залежати також від форми і діаметра голки.

У серійному устаткуванні час діспенсірованія зазвичай, вибирається в межах 50-200 мс, тиск порядку - 3бар (3 * 10 ⁵ Па). Слід враховувати також залежність реологічних властивостей "припойними пасти від температури навколишнього середовища. Тому до складу устаткування входять системи контролю та стабілізації температури голчастого клапана.

Рис. 7. Схема диспенсера, що реалізує метод «time - pressure»

Рис. 8. Схема диспенсера, що реалізує метод «rotary - pump»

Як видно з рис. 9, голка диспенсера має скіс (α = 30 °). Форма краплі буде залежати від діаметру голки, кута скосу та гарантованого відстані від контактної площадки (S). У процесі діспенсірованія голка плоскою частиною притискається до контактної майданчику, що забезпечує стійкість і повторюваність процесу.

Для отримання краплі пасти малої маси (менше 0,14 мг) більше підходить метод «rotary - pump». При цьому необхідний розмір і маса краплі забезпечуються в основному часом обертання черв'ячного шківа. Розмір краплі буде залежати також від ємності спіральної проточки в шківі, швидкості його обертання, конфігурації голки і тиску в робочому циліндрі і, звичайно ж, від реологічних властивостей плати. Форма голки в цьому методі спрощується (рис 10) за рахунок того, що гарантоване відстань до контактної площадки забезпечується за допомогою додаткового упору.

Рис. 9. Конструкція голчастого клапана

d-діаметр голки, а - кут скосу; s - гарантований зазор між голкою і контактної майданчиком

d-діаметр отвору

Рис. 10. Загальний вигляд голки спрощеної конструкції:

Порівняльні дослідження розглянутих методів показують, що перший метод має низьку повторюваність результатів при масі краплі менше ніж 0,28 мг, у той час як другий метод забезпечує хорошу повторюваність при масі краплі менше 0,22 мг.

ЛІТЕРАТУРА

1. Технологія поверхневого монтажу: Учеб. посібник / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфрієв Л.П. та ін - Мн.: «АРМІТ - Маркетинг, Менеджмент», 2000.

2. Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник / А.П. Достанко, В. Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв; За заг. ред. А.П. Достанко. - Мн. Обчислюємо. шк., 2002

3. Роткоп Л.Л., Спокійний Ю.Є. Забезпечення теплових режимів при конструюванні радіоелектронної апаратури. - М., 2006.

4. Гуськов Г.Я., Блінов Г.А., Газаров А.А. Монтаж мікроелектронної апаратури М.: Радіо і зв'язок, 2006.-176с.

5. Норенков І.П. Основи автоматизованого проектування: Учеб. для вузів. - М.: Із МГТУ ім. Н. Е. Баумана, 2000. - 360 с.