Для проведения анализа влияния остатков, находящихся под контактными выводами компонентов, на надежность узла в текущих условиях сборки авторами разработаны специальные методы тестирования. Данные методы позволяют производителям оборудования проводить проверку влияющих на надежность параметров сборки, выбирать материалы для пайки, условия процессов оплавления и отмывки.
Цель данной статьи — продемонстрировать результаты применения предлагаемых методов тестирования для разработки надежных процессов производства печатных плат (ПП). Тесты позволят изучить условия, в которых обеспечивается хороший отвод испаряемого во время оплавления газа, активность ионных загрязнений, а также измерить поверхностное сопротивление изоляции под компонентами, выбрать оптимальный состав паяльной пасты и оптимизировать условия процессов оплавления и отмывки. Полученные в результате тестирования данные позволят производителям ПП определить заранее, насколько подходят условия выбранного процесса для производства надежных устройств.
В первой части статьи описан эксперимент и используемые для него тестовые платы, во второй части статьи будут приведены результаты эксперимента.
Введение
Электронные узлы часто склонны к сбоям и отказам в работе. Тестирование необходимо, чтобы определить качество материалов для пайки, условий процессов оплавления и отмывки. Из-за уменьшения заданного между компонентами шага, эффекта затенения высокими компонентами небольших находящихся рядом компонентов, при смещении напряжения и неблагоприятных условий, например, попадания влаги, загрязнения и остатки, находящиеся под безвыводными компонентами, становятся значительной проблемой.
Остатки флюса под компонентами с низкой посадкой могут оставаться активными из-за блокирования каналов для вывода газа даже при использовании паяльных паст, не требующих отмывки. И риск отказов, происходящих из-за того, что на этапе отмывки после пайки под проблемными компонентами остались массы флюса, часто недооценивается.
Основные стандарты и рекомендации по отмывке часто затрагивают лишь случаи с бОльшим шагом и размером компонентов, компонентов с более высокой посадкой или более высоким расположением контактной площадки, и при этом часто приуменьшают влияние паяльной маски. Печатные платы с безвыводными компонентами и компонентами с находящимися под ними контактными выводами требуют более строгих методов тестирования для проверки эффективности процесса производства. В данной статье предлагаются новые методы тестирования, опробованные на специальных тестовых платах, для изучения рисков отказов из-за оставшихся под безвыводными компонентами загрязнений.
Современные конструкции печатных плат (ПП)
Высокий уровень чистоты отмывки — это прежде всего результат, полученный благодаря конструкции ПП, куда входит плотность монтажа компонентов, высота их посадки, а также способности оборудования отмывать остатки. Наличие загрязнений, таких как остатки флюса, не полностью активированный флюс, неполное отверждение паяльной маски, а также неполное удаление самих очищающих жидкостей, могут стать причиной уменьшения срока службы устройств. Но загрязнения, оставшиеся под компонентами — это еще бОльшая проблема, результатом которой может стать полный отказ устройства. Для того, чтобы определить уровень риска и проверить чистоту отмывки необходимы специальные методы тестирования.
В современных конструкциях и сборках все чаще используются компоненты с низкой посадкой.1 QFN, LGA, DFNи LCC-компоненты с контактными выводами под корпусом содержат нестандартные внешние металлизированные контакты. При этом размер пассивных прямоугольных компонентов уменьшился, так как современные технологии позволяют производить меньшие по размеру компоненты.
Рис. 1: Нестандартные внешние металлизированные контакты
Использование в конструкции ПП безвыводных компонентов — это уже сам по себе вызов, ведь они имеют большую теплоемкость, низкую посадку, меньший зазор между контактами питания и заземления, все это может стать причиной плохого удаления остатков флюса и испаряемого газа2. Увеличивают риск снижения функциональности электрических/электронных устройств меньшие расстояния между проводниками, бОльшее количество функций на меньшей площади, увеличенные требования к напряжению, высокая частота и токи низкого уровня3. Усугубляет проблему недостаток стандартов и рекомендаций для таких случаев.
Так как размер и вес устройств продолжают уменьшаться, то размер проводников и шаг между ними, а также высота посадки также уменьшаются. При этом меньшие по размеру компоненты более чувствительны к воздействию загрязнений. Безвыводные компоненты могут не иметь достаточных путей для того, чтобы газы, испаряющиеся из активатора флюса, могли выводиться и разлагаться. Флюс, оставшийся под компонентом, может быть заблокирован и поэтому не получать достаточного тепла при оплавлении, что означает, что под компонентом останутся скопления активного флюса, которые по прошествии времени могут стать причиной отказа.
Количество представленных на рынке паяльных паст также довольно велико, основное их отличие состоит в составе и способе нанесения. Обычный тип флюса, широко использующийся в производстве, — это флюс в составе паяльных паст, не требующих отмывки. Остатки таких паст могут иметь низкую растворимость и требовать более сильных веществ и более сложных условий для отмывки. Параметры процесса, например, концентрация очищающих веществ, температура и время могут значительно влиять на то, как хорошо будет удаляться флюс.
Поэтому очень важно разработать оптимальный процесс отмывки для обеспечения достаточного уровня чистоты. Достаточное расстояние между компонентами необходимо, чтобы очищающее вещество смочило, растворило и удалило остатки. Высота посадки — это критический фактор, его значения меньше 50 μмс не достаточно, чтобы флюс был полностью удален, а газ полностью выведен. Увеличение посадки компонента до 75-125 μм снижает количество оставшегося флюса под контактными выводами и позволяет выводить газ. Еще бОльшая высота посадки улучшает результат отмывки.
Оплавление паяльной пасты также является важным фактором. Профиль оплавления должен обеспечивать достаточный нагрев для предотвращения появления холодных паяных узлов и преждевременного схватывания. Активаторы в составе флюса могут по-разному взаимодействовать, это зависит также от профиля оплавления. В некоторых случаях профиль «пик-наклон» будет лучшим выбором, чем профиль «выдержка» и наоборот. Слишком сильный нагрев может полимеризовать и растопить остатки флюса, которые очень сложно отмыть. Поэтому для получения хороших результатов важно подобрать конструкцию используемых тестовых плат и методы тестирования.
На рис. 2 перечислены все факторы и показано, как их выбор влияет на надежность производства.
Рис. 2: Выбор параметров и их влияние на процесс производства
Специальные тестовые платы
Одна из проблем использования компонентов с низкой посадкой — это то, что под ними остаются различные загрязнения. После монтажа эти загрязнения не видны, и это может привести к ошибочной оценке чистоты отмывки ПП. Основная задача специальных тестовых устройств — оценить риски и проверить, что параметры процесса выбраны верно. Кроме того, использование тестовых плат и проведение функциональных проверок позволят конструктору оценить новые материалы для пайки и параметры процессов оплавления и отмывки.
На используемые в данном эксперименте тестовые платы монтированы перечисленные выше проблемные компоненты. Специально разработанная конструкция тестовой платы позволяет:
· Оценить активность и потенциал утечки остатков флюса паяльной пасты, находящихся под корпусом компонента.
· Проверить платы в определенных местах на наличие ионных остатков под корпусом компонента.
· Исследовать условия оплавления и их влияние на количество и активность остатков.
· Определить влияние состава паяльной маски на количество и активность остатков.
· Исследовать особенности конструкции, например, использование вскрытий в паяльной маске и переходных отверстий, отводящих тепло, для вывода газа из флюса.
На рис. 3 показана конструкция тестовой платы с монтажом двойного ряда корпусов QFN. Плата имеет датчики, расположенные около центральной лапки и первого штырькового вывода. Датчики соединены с каналами для электрического тестирования уровня активности остатков и их расположения в тестовых условиях. Каждый используемый в тестировании компонент отличается рядом конструктивных деталей, например, составом паяльной маски, шаблоном нанесения паяльной пасты на заземляющую лапку, наличием переходных отверстий, предназначенных для отвода тепла, и вскрытий в паяльной маске. Вокруг каждого компонента в подложке сделан вырез для того, чтобы проводить тестирование методом ионнообменной хроматографии для каждого отдельного участка платы.
Рис. 3: Специальная тестовая плата
Тестовая плата разработана таким образом, чтобы была возможность перемещать каждый компонент в разные места платы, чтобы протестировать его на наличие активных ионов на месте нахождения. Одно из ограничений обычных тестов методом ионнообменной хроматографии (IC) — это точность обнаружения активных ионов, оставшихся под компонентом. При запуске теста ICпо всей поверхности платы сразу количество остатков может оцениваться неверно. Вырезы в подложке, где расположены компоненты, позволяют отделить этот участок платы с компонентом для того, чтобы провести на нем тестирование методом IC (рис. 3, 4). Это поможет более точно оценить наличие ионных остатков под компонентом, которые могут стать причиной утечки при наличии влаги и смещения напряжения.
Рис. 4: Пример купона, который можно отделить от платы, для анализа IC
Описание эксперимента
Для оценки активности остатков флюса, находящихся под компонентами, был проведен эксперимент с использованием описанных выше тестовых плат. Цель эксперимента — найти взаимосвязь между надежностью и выбираемыми параметрами для разработки и производства. Данные параметры оцениваются количественно с помощью измерений, проводимых для каждого отдельного участка платы. Используемые в конструкции тестовой платы элементы включают разные составы защитных финишных покрытий паяльной маски, переходные отверстия для отвода тепла, вскрытия в паяльной маске и области трафаретной печати. Для эксперимента использовались профили оплавления «выдержка» и «пик-наклон», бессвинцовые водорастворимые паяльные пасты, не требующие отмывки, и три режима отмывки.
Список литературы:
1. Lee, D. (2016, Oct). DFX- Design for Excellence: Focus on DFR – Design for Reliability of Hardware to be cleaned. IPC/SMTA High Reliability Cleaning and Coating Conference. Rosemont, IL.
2. McMeen, M., Tynes, J., Bixenman, M. (2016). Electronic Assembly Warranties Challenge the Industry to Improve Risk Mitigation Test Methods. SMTA Pan Pacific, Kahlua, HI.
3. Bixenman, M., McMeen, M., & Tynes, J. (2016). BTC/QFN Test Board Design Considerations and Method for Qualifying Soldering Materials and Cleaning Processes. SMTAI. Rosemont, IL.
4. Tolla, B. Allen, J. Loomis, K. & Bixenman, M. (2016). Reactivity of No-Clean Flux Residues Trapped under Bottom Terminated Components. SMTAI. Rosemont, IL.