close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ivanov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Иванов Н.Н.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НАДЁЖНОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ И
ПРИБОРОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОМ МОНТАЖЕ
КОМПОНЕНТОВ В УСЛОВИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ БЕССВИНЦОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Учебное пособие
2018
пециальную тему
УДК 621.791.3
Иванов Николай Николаевич
Технологические аспекты обеспечения надёжности радиоэлектронных средств и
приборов при поверхностном монтаже компонентов в условиях использования
элементов бессвинцовых технологий: Учебное пособие/ СПбГУАП. СПб., 2018.
158 с.: ил.
Пособие содержит материалы, описывающие современные тенденции
развития технологии поверхностного монтажа радиоэлектронных компонентов на
коммутационные платы различной аппаратуры и приборов. Показаны факторы,
определяющие надёжность радиоэлектронных средств и приборов, особенно в
условиях использования так называемых бессвинцовых технологий. Представлена
методология решения на отечественном предприятии вопроса определения
применимости бессвинцовых технологий в высоконадёжной аппаратуре. Описана
современная технология одновременного автоматизированного поверхностного
монтажа компонентов любого типа (включая BGA) отечественного и
иностранного производства в изделиях, пригодных для эксплуатации в жёстких
условиях.
Пособие предназначено для студентов технических специальностей,
проходящих технологическую подготовку по кафедре «Конструирование и
технологии электронных и лазерных средств»
© Иванов Н.Н., 2018
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
2
специальную тему
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение……………………………………………………..……………………..
Список сокращений и условных обозначений…………….…………………….
Глава 1. Современное состояние и тенденции развития технологии
поверхностного монтажа радиоэлектронных компонентов………………….
1.1. Традиционные решения в области конструктивно-технологического
оформления радиоэлектронных компонентов…...................................
1.2. Тенденции в развитии радиоэлектронных компонентов……………..
1.2.1. Повышение
плотности
упаковки
радиоэлектронных
компонентов………………………………………………………….
1.2.2. Появление и развитие бессвинцовых технологий…………………
1.2.3. Многообразие конструктивно-технологических исполнений
радиоэлектронных компонентов, одновременно применяемых в
радиоэлектронных средствах…….………………………………..
Глава 2. Проблемы обеспечения надёжности радиоэлектронных средств и
приборов при поверхностном монтаже компонентов…………………………
2.1. Факторы, определяющие надёжность электронных модулей и
радиоэлектронных компонентов………………………………...…………...
2.2. Влияние факторов коммутационной платы на надёжность
электронных модулей и радиоэлектронных компонентов…………………
2.3. Влияние факторов конструктивного оформления компонентов на
надёжность их контактов...…………………………………………………...
2.4. Влияние факторов технологии присоединения на надёжность
радиоэлектронных компонентов.…………………………………………….
2.5.
Взаимосвязь
факторов,
определяющих
надёжность
радиоэлектронных компонентов.………………………………..…………...
Глава 3. Методология решения вопросов применимости бессвинцовых
технологий
в
современной
высоконадёжной
радиоэлектронной
аппаратуре…….………………………………………………………………….
3.1. Алгоритм определения пригодности паяных контактов
радиоэлектронных компонентов, полученных с использованием
элементов бессвинцовых технологий, к применению в аэрокосмической
аппаратуре ……………………………………………………………………
3.2. Специфика применяемых средств испытаний паяных контактов
радиоэлектронных компонентов………………….………………………….
3.3. Методика проведения ускоренных испытаний паяных контактов
радиоэлектронных компонентов…………………………………………...
3
69
70
71
73
76
76
79
79
81
84
88
89
91
99
101
109
110
112
113
118
121
3.4. Определение состава образцов для проведения испытаний паяных
контактов радиоэлектронных компонентов…..…………...……………….
3.4.1. Требования к номенклатуре образцов для испытаний…………
3.4.2. Требования к печатным платам образцов для испытаний……..
3.4.3. Выбор имитаторов радиоэлектронных компонентов…………..
3.4.4. Выбор припойных паст для монтажа компонентов……………
3.4.5. Варианты контактов, подвергаемых испытаниям…………...…
3.5. Испытания паяных контактов и их результаты….…….….………….
3.5.1. Испытание на воздействие термических ударов……………….
3.5.2. Механические испытания………………………………………..
3.5.3. Испытания на медленные климатические воздействия………..
3.5.4. Контрольная группа………………………………………………
Глава 4. Базовый технологический процесс формирования паяных
соединений радиоэлектронных компонентов при их автоматизированном
монтаже с применением бессвинцовых и свинецсодержащих материалов…
4.1. Технология нанесения припойной пасты на контактные площадки
коммутационных плат……………………………………………….………
4.2.
Технология
установки
поверхностно
монтируемых
радиоэлектронных
компонентов
на
контактные
площадки
коммутационных плат…………………………………………………….…
4.3. Технология групповой пайки поверхностно монтируемых
радиоэлектронных компонентов методом оплавления припойной пасты...
4.4. Технология селективной пайки………………………………………..
4.5. Завершающие процедуры процесса формирования контактов
радиоэлектронных компонентов при монтаже ЭКБ…………………..
Глава 5. Физические основы и технология преобразования состава
бессвинцовых шариковых выводов радиоэлектронных компонентов в состав,
приближенный к эвтектическому сплаву SnPb..………………………………
5.1. Возможные варианты технологии формирования паяных соединений
компонентов с бессвинцовыми шариковыми выводами…………..……..
5.2. Преобразование состава сплава шариковых выводов как
альтернатива реболлингу и другим традиционным технологиям……….
5.3. Результаты отработки технологии преобразования сплава
бессвинцовых
шариковых
выводов
компонента
в
состав,
приближенный к эвтектическому сплаву SnPb.……….…………….…….
Глава 6. Типовые требования к специальному технологическому
оборудованию для надёжного одновременного монтажа радиоэлектронных
компонентов методом пайки……………………………………………….…….
6.1. Требования к оборудованию трафаретной печати припойной пасты...
4
126
126
68
68
70
72
75
75
79
79
81
84
88
89
91
100
101
110
111
113
114
119
122
6.2. Требования к оборудованию установки компонентов на плату……..
6.3. Требования к оборудованию для оплавления припойных паст……...
6.4. Требования к оборудованию для неразрушающего контроля при
формировании контактов компонентов………………………….………...
6.5. Общие требования к оборудованию и организации производства…...
Глава 7. Современные отечественные материалы для получения надёжных
паяных соединений радиоэлектронных компонентов с бессвинцовыми и
свинецсодержащими покрытиями выводов….……………..………..…………..
7.1. Припойные пасты…………………………………..…………………...
7.2. Флюсы для получения надёжных паяных соединений………….…...
7.3. Современные отмывочные жидкости……….…………………………
Заключение………………………………………………………….……………..
Список литературы …..……………..…………….……………………………....
5
128
131
133
134
136
136
142
145
150
151
70-летию НИТИ-18 - ЛНПО «Авангард» ОАО «Авангард» посвящается
Введение
Радиоэлектроника - самая быстрорастущая отрасль промышленности в
мире. В структуре промышленной добавленной стоимости ее доля уже сейчас
составляет почти треть и дальше будет только увеличиваться. Адекватное
положение и развитие радиоэлектронная промышленность приобретает и в
Российской Федерации. В настоящее время параметры развития отрасли вомногом определяются Государственной программой «Развитие электронной и
радиоэлектронной промышленности на 2013 – 2025 годы» [1].
Государственная программа своей целью определяет «повышение
конкурентоспособности радиоэлектронной промышленности посредством
создания инфраструктуры для развития приоритетных направлений, интеграции в
международный рынок и реализации инновационного потенциала». Достижение
указанной цели обеспечивается решением следующих приоритетных задач:
созданием
научно-технического
задела
по
перспективным
радиоэлектронным технологиям;
- созданием современной научно-технической и производственнотехнологической базы производства конкурентоспособных радиоэлектронных
изделий;
- обеспечением в требуемых объёмах производства радиоэлектронных
изделий для приоритетных образцов вооружения, военной и специальной
техники, определяющих перспективный облик Вооруженных сил Российской
Федерации.
Сегодня практически в любой сложной конечной промышленной
продукции присутствуют радиоэлектронные компоненты. Радиоэлектроника
обеспечивает интеллектуальные возможности всей конечной продукции,
оказывает определяющее влияние на развитие современных средств вооружения и
военной техники.
В последние годы выявилась существенная зависимость отечественной
радиоэлектроники от импортной электронной компонентной базы (ЭКБ).
Существенный рост применения электронной компонентной базы иностранного
производства (ЭКБ ИП) наблюдается не только в сегментах потребительской и
профессиональной радиоэлектроники, но и в специальной радиоэлектронной
аппаратуре (РЭА). В сентябре 2015 года уровень зависимости от импорта оценил
6
Президент Российской Федерации [2], который охарактеризовал долю
отечественной продукции на гражданском рынке радиоэлектроники в размере
16%.
Такое состояние может быть охарактеризовано как существенная
зависимость, которая ещё достаточно длительный период времени будет
сохраняться.
Сложившаяся ситуация дополнительно обострилась в связи с повсеместным
внедрением в зарубежных странах в практику производства ЭКБ так называемых
бессвинцовых технологий [3], отражающихся, в первую очередь, на
конструктивно-технологических особенностях контактов компонентов, что делает
многие виды ЭКБ ИП существенно отличными от ЭКБ отечественного
производства (ЭКБ ОП), с которой ЭКБ ИП интегрируется в одном конечном
изделии. Это обстоятельство вызывает проблему совместимости двух технологий
– бессвинцовой и традиционной свинцовой.
Попытки применения ЭКБ ИП в бессвинцовом исполнении в соответствии с
рекомендациями зарубежных поставщиков одновременно с традиционными
отечественными компонентами без разработки специальных приёмов и режимов
выполнения технологических операций, приводят к неприемлемому количеству
дефектов изделий, в первую очередь – контактов радиоэлектронных компонентов,
и массовым отказам в эксплуатации [4 - 8].
За более чем полувековой период развития радиоэлектроники и
приборостроения аэрокосмического назначения, характеризующихся жёсткими
условиями эксплуатации, сложился ряд классических решений по конструкции и
технологии формирования паяных контактов ЭКБ, включая их геометрию,
правила конструирования контактного узла «компонент – коммутационная
плата», состав применяемых материалов, последовательность и режимы
технологических операций [9], обеспечивающих достижение необходимой
надёжности при заданном уровне внешних воздействий. Характерной
особенностью большинства отработанных решений является ориентация на
применение для формирования надёжных контактов метода пайки эвтектическим
припоем SnPb [10].
Значительный вклад в решение проблемы достижения высокой надёжности
традиционных контактов компонентов и создание технологии формирование
паяных соединений на коммутационных платах внесли исследователи
отечественной школы, такие как Н.К. Иванов-Есипович [11 - 13], С.В. и Н.Ф.
Лашко [14, 15], Б.Ф. Высоцкий [16, 17], Л.А. Коледов [18, 19], О.А. Кузнецов [21 22], А.С. Назаров [23], А.Н. Парфёнов [24 – 28], Г.А. Блинов [29, 30], А.М.
Медведев [31 - 33] и другие.
7
Из зарубежных исследователей указанной области науки и техники следует
отметить Ч.-Г. Мэнгина и С. Макклелланда [34], В. Энгельмайера [35 - 37], М.
Новоттника [38, 39].
Благодаря результатам многолетней работы учёных и инженеров, вопрос
конструирования и технологии создания надёжных контактов ЭКБ на основе
применения свинецсодержащих материалов считался, до последнего времени,
достаточно изученным, что отражено в соответствующих нормативных
документах [40, 41] и подтверждено практикой.
Бурное развитие в зарубежных странах так называемых бессвинцовых
технологий при одновременном повышении степени интеграции компонентов и
их миниатюризации привело, за последнее десятилетие, к созданию десятков
новых вариантов элементов конструкций ЭКБ, предназначенных для внешнего
контактирования. Контакты ЭКБ в современной практике имеют широкое
разнообразие не только по геометрии, но и по составу применяемых материалов.
Попытки уйти от применения свинца при изготовлении РЭА вызвали
появление новых сочетаний материалов, использующихся при формировании
контактов радиоэлектронных компонентов при их монтаже на контактные
площадки коммутационной платы, которые ранее широко не применялись.
Металлургическая структура и уровень дефектности получаемых контактов при
монтаже новых вариантов компонентов в литературе представлены не достаточно
широко, эта информация часто составляет ноу-хау предприятий-производителей
аппаратуры.
Изучение степени и особенностей влияния многочисленных новых
материалов и их сочетаний на надёжность паяных контактов в зависимости от
режимов технологических операций и, соответственно, на надёжность
аппаратуры в целом, в условиях одновременного применения отечественной и
импортной ЭКБ представляют важнейшее значение для формирования
компетенций современного инженера.
Рекомендации производителей по режимам монтажа ЭКБ ИП в
бессвинцовом исполнении существенно отличаются от требований технических
условий (ТУ) на ЭКБ ОП. Выполнение этих рекомендаций в случае
одновременного монтажа импортных и отечественных компонентов привело бы к
выходу из строя отечественных, или как минимум, снятию гарантий
производителя на ЭКБ ОП.
Потенциально более высокая экологическая чистота бессвинцовых
технологий до сих пор дискутируется [4 - 6], но уже сегодня виден прямой ущерб
экологии от полного использования предписываемых зарубежными документами
бессвинцовых технологий – это повышенное тепловое загрязнение окружающей
среды за счёт более высокой температуры и увеличенного времени пайки
8
бессвинцовых компонентов по сравнению с традиционной технологией, и,
соответственно, более высокие энергозатраты.
Учитывая необходимость обеспечения разработки и производства в
требуемых объёмах радиоэлектронных изделий для приоритетных образцов
специальной техники (в том числе аэрокосмической), создания и массового
выпуска профессиональной радиоэлектроники для реализации важнейших
социально-экономических задач государства, решение вопросов обеспечения
надёжности радиоэлектронных средств и приборов аэрокосмического назначения
на этапе монтажа компонентов на коммутационные платы для условий
одновременного применения в одном изделии отечественной и импортной ЭКБ, а
так же бессвинцовых и свинецсодержащих материалов – является исключительно
актуальной проблемой.
Настоящее издание составлено с учётом достижений в области
исследований и разработки современных радиоэлектронных технологий и
прогрессивных материалов для автоматизированной сборки радиоэлектронной
аппаратуры, выполненных в ОАО «Авангард» (Санкт-Петербург). Предприятие
учреждено под наименованием НИТИ-18 в октябре 1948 года в структуре
Министерства авиационной промышленности СССР и с первых дней создавало
серийные технологии производства аппаратуры для авиации. В дальнейшем,
профиль деятельности существенно расширился, но на протяжении всех 70 лет
предприятие «Авангард» демонстрирует существенные достижения в области
высоких технологий. Решение проблемы применения элементов бессвинцовых
технологий при создании аппаратуры повышенной надёжности с разработкой
соответствующих
запатентованных
и
стандартизованных
методов и
технологических материалов – один из примеров таких достижений.
9
Список сокращений и условных обозначений
АСР
- автоматизированный стенд регистрации отказов;
ИЭТ
- изделия электронной техники;
КТЛР
- коэффициент теплового линейного расширения;
КП
- контактная площадка;
ОЖ
- отмывочная жидкость;
ПМИ (SMD) - поверхностно-монтируемые изделия (surface mounting device);
ПП
- плата печатная;
ПС
- паяное соединение;
РЭА
- радиоэлектронная аппаратура;
РЭС
- радиоэлектронные средства;
ТПЭМ
- типовой представитель электронных модулей;
ЭКБ
- электронная компонентная база;
ЭКБ ИП
- электронная компонентная база иностранного производства;
ЭКБ ОП
- электронная компонентная база отечественного производства;
ЭМ
- электронный модуль;
BGA
- Ball Grid Array – компонент с матричным расположением шариковых
выводов;
CSP
- Chip Scale Package - корпус с размерами кристалла;
MELF - Metal Electrode Leadless Face - безвыводной компонент с металлическими
торцевыми выводами;
QFN
- Quad-Flat No-leads – квадратный плоский безвыводной корпус;
LCC
- Leadless Chip Carrier – безвыводной кристаллодержатель;
HASL
- Hot Air Solder Leveling – горячее лужение с выравниванием
воздушным ножом;
OSP
- Organic Solderability Preservative – органическое защитное покрытие;
ENIG - Electroless Nickel/Immersion Gold – покрытие иммерсионным золотом по
подслою никеля;
ENEPIG
- Electroless Ni/Electroless Pd/Immersion Au – иммерсионное золото,
поверх подслоя химического никеля и палладия;
IMSN - Immersion Stannum – иммерсионное олово;
IMAG
- Immersion Argentum – иммерсионное серебро;
RoHS - Restriction of Hazardous Substances - директива Европейского Союза об
ограничении использования опасных веществ.
WEEE
- Waste Electrical and Electronic Equipment - директива Европейского
Союза по вопросам отходов от электрического и электронного оборудования;
SOIC
- Small-Outline Integrated Circuit - малогабаритный корпус микросхемы;
SOT
- Small Outline Transistor - малогабаритный транзисторный корпус;
SAC
- бессвинцовый припойный сплав SnAgCu.
10
Глава 1. Современное состояние и тенденции развития технологии
поверхностного монтажа радиоэлектронных компонентов
1.1. Традиционные решения в области конструктивно-технологического
оформления радиоэлектронных компонентов
Радиоэлектронные компоненты являются базой построения электронных
модулей (ЭМ) любых радиоэлектронных средств (РЭС). Совокупность
радиоэлектронных компонентов не только несёт в себе возможность реализации
той или иной функции, необходимой для обеспечения работоспособности ЭМ и
РЭС, но и определяет конструктивно-технологический облик аппар атуры, её
эксплуатационные параметры.
В большинстве случаев ЭМ представляет собой коммутационную плату с
установленными на неё компонентами и дополненную конструктивными
элементами для обеспечения функционирования ЭМ в условиях эксплуатации
(крепёжные элементы, экраны, теплоотводы и т.п.) [12, 16, 23, 42, 43].
В качестве коммутационной основы ЭМ могут выступать печатные платы,
выполненные по различным технологиям [32, 44], многослойные керамические
коммутационные платы, тонкоплёночные и толстоплёночные платы на
керамических, металлических и гибких полимерных основаниях [29, 45 - 49].
Радиоэлектронные компоненты представлены широким многообразием
электрорадиоизделий (ЭРИ), который включает изделия электронной техники
(ИЭТ), электротехнические изделия и др.
Основным технологическим этапом применения радиоэлектронных
компонентов при производстве РЭС, является процесс монтажа компонентов на
коммутационную плату ЭМ, когда составные части ЭМ объединяются
механически, электрически, теплофизически. При этом применяются методы
пайки, сварки, склеивания, механического закрепления.
На этом этапе, во многом, проявляются особенности оформления элементов
конструкции компонента, предназначенных для электрического, механического и
теплового подсоединения компонента к общей конструкции аппаратуры.
Необходимость интеграции конкретного компонента в общую конструкцию, с
одной стороны, и необходимость обеспечения режимов функционирования
компонента, с другой стороны, накладывают многочисленные требования к
конструктивно-технологическому оформлению контактных узлов, или короче –
контактов, радиоэлектронных компонентов.
Этап монтажа компонентов на коммутационную плату один из наиболее
ответственных в жизненном цикле компонента и в процессе производства ЭМ и
РЭС в целом, не только с точки зрения существенной доли трудоёмкости,
приходящейся на операции сборки ЭМ (по отечественным данным [50] - до 55%),
но и с точки зрения обеспечения качества изготовления РЭС. Процессы
формирования многочисленных соединений выводов компонентов с контактными
площадками коммутационной платы вносят определяющий вклад в
эксплуатационную надёжность аппаратуры.
11
На
протяжении
последних
50-ти
лет
важнейшим
фактором
совершенствования контактных узлов компонентов было стремление сократить
трудоёмкость изготовления компонентов и сборки аппаратуры при
одновременном повышении надёжности РЭС. Основным направлением движения
в этом процессе явилась разработка и внедрение методов автоматизированного
монтажа компонентов.
Исторически автоматизированный монтаж компонентов на платы начал
развиваться в 1960-е годы применительно к компонентам со штырьковыми
выводами, паяемыми в отверстие печатных плат. Технология пайки выводов в
отверстия печатных плат была доминирующей, обеспечивала достаточную
надёжность и приемлемую в то время плотность упаковки аппаратуры. Типовые
конструкции ЭРИ для пайки в отверстия представлены на Рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Типовые конструкции ЭРИ для пайки в отверстия
В середине 1960-х годов появились первые виды ЭРИ для поверхностного
монтажа, но до середины 1970-х годов они воспринимались как экзотика и не
находили массового применения в ЭМ на печатных платах. Поверхностный
монтаж развивался, в основном, применительно к ЭМ на керамических
основаниях и при изготовлении гибридных интегральных схем или микросборок.
В конце 1970-х годов борьба за повышение плотности упаковки
аппаратуры, увеличение числа выводов ЭРИ и уменьшение шага выводов у новых
видов корпусов потребовали адаптировать печатную плату к новым реалиям. В
том числе, началась борьба за снижение количества сквозных отверстий в
печатных платах для размещения выводов компонентов, создались предпосылки
для широкого применения поверхностного монтажа изделий.
С начала 1980-х годов начался процесс постепенного вытеснения так
называемых «традиционных» видов корпусов ЭРИ со штырьковыми выводами и
массового внедрения технологии поверхностного монтажа компонентов на
коммутационные платы ЭМ [34, 50 – 54]. С тех пор и по настоящее время
постоянно ведётся поиск оптимальных, с той или иной точек зрения, конструкций
корпусов ЭРИ для поверхностного монтажа. Типовые конструкции корпусов ЭРИ
для поверхностного монтажа представлены на Рисунке 1.2.
12
Рисунок 1.2. Типовые конструкции ЭРИ для поверхностного монтажа
В настоящее время технология поверхностного монтажа компонентов на
коммутационные платы является доминирующей при изготовлении ЭМ
большинства видов РЭС. Текущие разработки ответственных РЭС ведутся с
ориентацией на поверхностный монтаж и только отсутствие полного набора
отечественной ЭКБ в корпусах под поверхностный монтаж приводит к
необходимости использовать корпуса со штырьковыми выводами.
1.2. Тенденции в развитии радиоэлектронных компонентов
1.2.1. Повышение плотности упаковки радиоэлектронных компонентов
Анализ применяемости ЭКБ как в отечественной промышленности, так и за
рубежом, показал устойчивую тенденцию в повышении процента использования
ЭКБ в конструктивно-технологическом исполнении, отвечающем требованиям
автоматизированного монтажа на поверхность коммутационных плат. При этом,
привычные конструкции компонентов постоянно дополняются новыми
вариантами с повышенной плотностью выводов. К таким относительно новым, но
уже завоевавшим признание, исполнениям можно отнести компоненты в корпусах
типа BGA (Ball Grid Array – компонент с матричным расположением шариковых
выводов) и QFN (Quad-Flat No-leads – квадратный плоский безвыводной корпус).
В пределах каждого конструктивного оформления компонента наблюдается
тенденция уменьшения шага выводов при одновременном увеличении их
количества. Это связано с постоянным увеличением числа функций,
выполняемых одним компонентом, появлением сложно функциональных и
многокристальных устройств, ростом числа элементарных транзисторов в
пределах одного компонента.
В апреле 1965 года, примерно за три с половиной года до создания
корпорации Intel, Гордон Мур (Gordon E. Moore), занимавший в ту пору
должность директора отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, в
статье для журнала Electronics дал прогноз развития микроэлектроники,
13
основанный на эмпирическом наблюдении и получивший вскоре название закона
Мура [55]. В современной формулировке закон Мура выглядит так: количество
транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается
каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом
Давида Хауса из Intel, по мнению которого производительность процессоров
должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества
транзисторов и быстродействия каждого из них.
Несмотря на многочисленные предположения о прекращении действия
закона Мура в ближайшее время, изложенные в данном предсказании
закономерности прослеживаются и по настоящий момент.
Бурное развитие микроэлектроники, выразившееся в постоянном росте
числа транзисторов в компоненте при одновременном уменьшении
топологических норм проектирования, привело к возникновению ряда проблем.
Наиболее острые из них – это обеспечение отвода тепла от работающего прибора,
надёжного соединения радиоэлектронного компонента с коммутационной платой
и требуемого количества внешних выводов при высокой их плотности.
(Плотность контактов оценивается как отношение их количества к площади
платы, которую занимает корпус вместе с выводами). Решение этих проблем
связано с развитием методов корпусирования компонентов и методов
формирования их контактов.
Корпус радиоэлектронного компонента играет основную роль в работе и
обеспечении быстродействия компонента. Кроме осуществления подвода
входных сигналов и напряжения питания к компоненту и выходных сигналов от
него, корпус также отводит тепло, генерируемое компонентом, и исполняет роль
механической опоры. Наконец, он еще защищает кристалл от воздействия
факторов внешней среды, например влажности.
В процессе повышения степени интеграции радиоэлектронных
компонентов, благодаря уменьшению внутренних задержек сигналов и
внутрикристальных ёмкостей из-за масштабирования технологии с течением
времени, влияние корпуса на быстродействие компонента становится все более
заметным. На настоящее время до 50% задержки быстродействующего
компьютера обусловливается задержками корпусов, и, как ожидается, эта цифра
будет увеличиваться [56].
Увеличивающаяся сложность систем, размещаемых на одном кристалле или
в одном корпусе, также трансформировалась в проблему увеличения количества
контактов ввода-вывода, поскольку количество внешних связей, выходящих от
кристалла микросхемы, примерно пропорционально сложности схемы чипа. Эта
взаимосвязь впервые была сформулирована сотрудником компании IBM Э.
Рентом (E. Rent) (опубликовано в работе [57]) и выражена в виде эмпирической
формулы, называемой законом Рента.
Закон Рента связывает количество контактов ввода-вывода микросхемы с её
сложностью, измеряемой количеством вентилей. Записывается она следующим
образом:
Nв = Nр,
где: Nв – количество внешних контактов ввода-вывода;
14
 – среднее количество выводов элемента (вентиля) схемы;
N – количество элементов (вентилей) в схеме
p – показатель (константа) Рента.
Значение константы Рента варьируется в зависимости от назначения,
архитектуры и организации микросхемы, что подтверждают данные, приведенные
в Таблице 1.1. Естественно, что микропроцессоры в плане количества контактов
ввода-вывода ведут себя совсем не так, как схемы памяти.
Таблица 1.1.
Константы Рента для систем различных классов [58]
p
Область применения

Статическая память
0,12
6
Микропроцессор
0,45
0,82
Вентильная матрица
0,5
1,9
Быстродействующих компьютер (однокристальный)
0,63
1,4
Быстродействующий компьютер (одноплатный)
0,25
82
Наблюдаемая скорость увеличения количества выводов интегральных
схем составляет около 8 - 11% в год [56, 59], в настоящее время количество
выводов у многовыводных корпусов превысило 2000.
По причинам роста числа выводов, увеличения быстродействия
компонентов и уплотнения коммутационных плат, традиционные корпуса с
двухрядным расположением выводов под монтаж в сквозные отверстия были
заменены другими видами корпусов, в частности, корпусами с матрицей
шариковых выводов, пригодными для поверхностного монтажа и лучше
приспособленными для отвода тепла.
1.2.2. Появление и развитие бессвинцовых технологий
В настоящее время отечественная радиоэлектронная промышленность
только частично обеспечивает разработчиков радиоэлектронной аппаратуры
необходимыми радиоэлектронными компонентами. Разработчики сталкиваются с
ограничениями, как по функциональным параметрам, так и по конструктивнотехнологическому исполнению компонентов. В большинстве случаев одним из
возможных выходов является применение ЭКБ импортного производства.
При использовании импортной ЭКБ разработчика подстерегает ряд
сложностей и опасностей. Имеется в виду не только необходимость согласования
применения импортной ЭКБ с заказчиком (в случае оборонной продукции
процедура весьма затратная по времени), но и необходимость учитывать
особенности специфического конструктивного исполнения зарубежной ЭКБ.
Большинство зарубежных компонентов выпускается в общепромышленном
исполнении («industry»). Некоторая часть выпускается в исполнении для
специальных применений – «military» и «space».
15
Для общепромышленной ЭКБ зарубежного производства характерно так
называемое «бессвинцовое» исполнение. Это вызвано тем, что 7 июня 2002г. в
Европейском Союзе приняты и с 1 июля 2006 г. полностью введены в действие:
- директива по вопросам отходов от электрического и электронного
оборудования (WEEE - Waste Electrical and Electronic Equipment) [60];
- директива об ограничении использования определенных опасных веществ
(RoHS - Restriction of Hazardous Substances) [3] в указанных видах оборудования, в
том числе свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, полибромистых
бифенилов PBB и полибромистых дифенилэфиров PBDE.
Начало проблеме положил американский сенатор Эл Гор в 1992 году,
поддержавший в конгрессе США законопроект «Lead Exposure Reduction
Act»[61]. К документу прилагался обширный список подлежащих запрету
«свинцовых» материалов и изделий, в который попала и продукция электронной
промышленности, включая свинцовые припои и покрытия. С тех пор
бессвинцовые технологии под предлогом борьбы за экологию активно
продвигаются на рынок и постепенно захватывают основную массу производимой
радиоэлектронной продукции.
В подавляющем большинстве развитых стран, расположенных в Европе,
Америке и Азии осуществлен полный переход на бессвинцовую технологию для
определённых видов аппаратуры в соответствии с указанными директивами.
Среди учёных и специалистов существует устойчивое мнение, что введение
ограничений на применение свинца в минимальной степени вызвано именно
экологическими причинами [4 – 6, 62, 63]. Основная причина – конкурентная
борьба с производителями радиоэлектронной продукции в развивающихся
странах и с производителями продукции повышенной надёжности (оборонной,
космической), в том числе и в России.
Бессвинцовые технологии – самый серьезный вызов отечественной
промышленности в настоящее время. С одной стороны, изделиям отечественных
предприятий, подпадающим под названные директивы и изготовленным по
традиционной («свинцовой») технологии, закрыт путь на рынки развитых стран.
С другой стороны, в открытой продаже среди импортных компонентов имеются
только бессвинцовая ЭКБ общепромышленного назначения, что не во всех
случаях может удовлетворить отечественные предприятия.
В директивах RoHS и WEEE нет четкого определения понятия
“бессвинцовый”. Тем не менее, де-факто в отрасли сложилось представление, что
максимально допустимая концентрация свинца составляет 0,1 % по массе в
гомогенном “бессвинцовом” материале, если только свинец не был намеренно
внесен, (т.е. в каждом материале перед пайкой). Это значение является
предельным для каждого гомогенного материала, т.е. вывода компонента,
16
покрытия вывода компонента, стекловолокна, литого пластикового изделия,
припоя, покрытия контактной площадки и т.д.
Бессвинцовое исполнение компонентов подразумевает, в первую очередь,
отсутствие в материале выводов и (или) их покрытии свинца и, во вторую
очередь, что эти компоненты рассчитаны на технологические воздействия при
монтаже бессвинцовыми материалами.
Рекомендованные зарубежными изготовителями режимы монтажа и
применяемые материалы не соответствуют стандартным требованиям для
отечественной аппаратуры и отечественной ЭКБ.
На Рисунке 1.3. представлены температурно-временные зависимости для
технологического процесса пайки оплавлением припойной пасты, содержащей
свинец, традиционного для России состава (на базе сплава SnPb) и наиболее
распространённой бессвинцовой припойной пасты (на основе сплава SnAgCu).
Рисунок 1.3. Температурные профили оплавления припойных паст
Существенные различия двух режимов монтажа заключаются не только в
максимальной температуре нагрева, но и в уровне предварительного нагрева (по
температуре и времени) и общей длительности процесса.
Первый вывод, который следует сделать при анализе температурных
профилей, это тот, что значительно расширяется диапазон технологических
воздействий на коммутационные платы и компоненты. Рекомендованные режимы
пайки бессвинцовыми припойными пастами просто выведут из строя как
17
отечественные традиционные компоненты, так и традиционные печатные платы.
Можно взять любые Технические условия (ТУ) на отечественные компоненты и
убедиться в том, что рекомендованные режимы бессвинцовой пайки находятся за
пределами требований этих ТУ.
В литературе имеются многочисленные описания всевозможных дефектов,
вызванных повышением температуры и времени пайки [64, 65]. В данной работе
не будем подробно останавливаться на описании и анализе таких дефектов, хотя
это может представлять практический интерес.
Попытки применять традиционные отечественные компоненты с покрытием
выводов золотом, серебром и другими материалами, не содержащими свинца в
сочетании с пайкой бессвинцовыми припоями не приводят к созданию надёжной
«бессвинцовой» технологии в иностранном понимании. Бессвинцовость должна
быть обеспечена и со стороны коммутационной платы, в том числе с точки зрения
покрытия контактных площадок и устойчивости всей конструкции к
технологическим воздействиям при бессвинцовой сборке.
Таким образом, простая замена традиционных компонентов с покрытием
выводов, содержащим свинец на компоненты с бессвинцовым покрытием и
замена покрытия печатной платы с горячего лужения припоем SnPb на любое
бессвинцовое, автоматически не решит проблемы перехода нашей
промышленности не бессвинцовые технологии.
Особое значение имеет вопрос надёжности паяных соединений контактов
радиоэлектронных компонентов, полученных с применением бессвинцовых
технологий в различных условиях эксплуатации. Этот вопрос является
важнейшим при определении границ применимости бессвинцовых технологий и
будет рассмотрен далее.
1.2.3. Многообразие конструктивно-технологических исполнений
радиоэлектронных компонентов, одновременно применяемых
в радиоэлектронных средствах
Современный этап развития радиоэлектроники в мире характеризуется
широкой кооперацией и массовым применением в пределах одного прибора или
системы электронных компонентов, изготовленных в различных странах.
Благодаря развитию информационных технологий и логистики, разработчик
имеет
возможность
оперативно
выбрать
компоненты
с
нужными
функциональными параметрами с учётом конструктивного исполнения и затрат
на приобретение и доставку. Оптимизация состава комплектующих изделий с
учётом состояния мирового рынка, а не рынка только одной страны, стала
повседневной и повсеместной практикой. Такое положение дел характерно и для
сегодняшней России.
Российские разработчики с целью достижения конкурентных характеристик
аппаратуры наряду с отечественными широко применяют и импортные
18
радиоэлектронные компоненты.
При использовании ЭКБ ИП разработчика подстерегает ряд сложностей и
опасностей. Имеется в виду не только необходимость согласования применения
ЭКБ ИП с заказчиком (в случае оборонной продукции процедура весьма
затратная по времени), но и необходимость учитывать особенности
специфического конструктивного исполнения зарубежных компонентов.
Многие интегральные схемы иностранного производства выпускаются в
новых видах корпусов, не освоенных отечественной промышленностью, либо
находящихся в стадии освоения.
Выбор конкретного конструктивно-технологического исполнения корпуса
радиоэлектронного компонента является результатом сложно достижимого
компромисса, при поиске которого стремятся одновременно оптимизировать
несколько параметров:
- Электрические требования. Выводы компонента должны иметь низкую
ёмкость и индуктивность (как для внутренних связей, так и для наружных).
Высокое значение характеристического импеданса должно быть оптимизировано
под работу конкретной линий передачи. Следует принять во внимание, что
собственный импеданс интегральной схемы обычно весьма высок.
- Механические и тепловые свойства. Скорость отвода тепла от кристалла
компонента должна быть как можно большей. Механическая надежность требует
хорошего согласования тепловых свойств чипа и носителя кристалла.
Долгосрочная надежность требует прочного соединения кристалла с корпусом, а
также корпуса с платой.
- Низкая стоимость компонента. Стоимость радиоэлектронного компонента
является одним из самых важных критериев при выполнении любой разработки,
при этом стоимость корпуса, с учётом стоимости процедур корпусирования,
составляет значительную, иногда – основную часть стоимости компонента.
- Низкая стоимость монтажа на плату электронного модуля. Это требование
учитывает пригодность к автоматизированному монтажу и последующему
автоматизированному контролю качества монтажа.
Результатом такого поиска рациональных конструктивных оформлений
радиоэлектронных компонентов явился ряд многовыводных корпусов для
поверхностного монтажа на коммутационные платы.
В первую очередь, это корпуса миниатюрные с S-образными выводами или
выводами «в виде крыла чайки». К уже традиционным корпусам с такими
выводами типа SOT, SOIC добавились корпуса типа QFP (от англ. Quad Flat
Package) — семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы,
расположенные по всем четырём сторонам.
Типовой представитель этого семейства c 208 выводами представлен на
Рисунке 1.4.
19
Рисунок 1.4. Корпус типа QFP208
На практике существует много модификаций корпусов QFP, в том числе:
BQFP (от англ. Bumpered QFP), BQFPH (от англ. Bumpered QFP with Heat
spreader), CQFP (от англ. Ceramic QFP), FQFP (от англ. Fine Pitch QFP), HQFP (от
англ. Heat sinked QFP), LQFP (от англ. Low Profile QFP), MQFP (от англ. Metric
QFP), PQFP (от англ. Plastic QFP), SQFP (от англ. Small QFP), TQFP (от англ. Thin
QFP), VQFP (от англ. Very small QFP), VTQFP (от англ. Very Thin QFP). Каждая
модификация отличается какими-либо особенностями, однако, общим для всех
остаётся наличие плоских выводов со всех четырёх сторон корпуса.
Когда количество выводов приближается к 300, то предпочтительной
средой межсоединений между корпусом компонента и платой становятся
шариковые выводы из припоя. Пример реализации такого подхода к
корпуcированию показан на Рисунке 1.5. Подобная конструкция получила
название корпуса с матрицей шариковых выводов или BGA (от англ. Ball Grid
Array).
Рисунок 1.5. Корпус типа BGA208, вид с двух сторон
Популярность корпусов BGA растёт, особенно в тех областях, где
требуются сотни и тысяча выводов.
На практике встречаются модификации корпусов с матрицей выводов, это
PGA (от англ. Pin Grid Array) — корпус с матрицей выводов. Представляет собой
квадратный или прямоугольный корпус с расположенными на нижней
поверхности штырьковыми контактами. В зависимости от материала корпуса
выделяют три варианта исполнения:
- PPGA (Plastic PGA) — имеет пластиковый корпус;
- CPGA (Ceramic PGA) — имеет керамический корпус;
- OPGA (Organic PGA) — имеет корпус из органического материала;
20
Другой модификацией корпусов PGA и BGA является корпус LGA (от англ.
Land Grid Array) — представляет собой корпус PGA, в котором штырьковые
контакты заменены на контактные площадки. Может устанавливаться в
специальное гнездо, имеющее пружинные контакты, либо устанавливаться на
печатную плату. Существуют пластиковые и керамические варианты таких
корпусов.
Дальнейшая миниатюризация корпусов BGA привела к созданию
низкопрофильного корпуса LBGA (от англ. Low-profile Ball Grid Array), см.
Рисунок 1.6., и корпуса с особо малыми выводами FBGA (от англ. Fine-pitch Ball
Grid Array).
Рисунок 1.6. Корпус типа LBGA256, вид с двух сторон
Особое направление в миниатюризации компонентов представляют так
называемые корпуса в размер кристалла, или CSP (от англ. Chip Scale или Chip
Size Package). Такие корпуса представляют собой альтернативу ранее известному
бескорпусному варианту flip chip. Пример компонента в корпусе CSP представлен
на Рисунке 1.7. Следует отметить, что корпус CSP132 имеет такой же размер в
плане, как и корпус BGA64, при этом не вся поверхность корпуса CSP заполнена
выводами, тем не менее, их количество всё равно в 2 раза больше чем у BGA.
Рисунок 1.7. Корпус типа CSP132, вид с двух сторон
CSP – многообещающее решение в тех случаях, когда необходима низкая
масса и малые размеры изделий. Данные корпуса, лишь слегка превышающие
размеры кристалла, выпускаются в разнообразных конструктивных исполнениях
и изготавливаются из различных материалов. Они обладают потенциальными
преимуществами, заключающимися в более высоких рабочих характеристиках и
большей плотности монтажа, однако требуют особого подхода к определению
конструкции коммутационной платы.
По мере совершенствования технологий, происходит постепенное
повышение плотности упаковки, уменьшаются предельно достижимые размеры
выводов, а их количество увеличивается. Динамика изменения критического
параметра – шага выводов – наиболее распространённых среди особо плотных
21
корпусов, по мере совершенствования технологий, представлена на Рисунке 1.8.
Рисунок 1.8. Шаг выводов корпусов повышенной плотности
Не смотря на широкое применение высокоплотных конструкций
компонентов для поверхностного монтажа на коммутационную плату, в реальной
аппаратуре практически всегда находят место и используются компоненты
средней и низкой степени интеграции, такие как резисторы различных, в том
числе повышенных мощностей, конденсаторы низкой и большой ёмкости,
разъёмы, различные колодки и контактирующие приспособления. Многие из
перечисленных устройств требуют монтажа в отверстия платы. В то же время,
расширяется применение пассивных компонентов сверх миниатюрных
типоразмеров, таких как 0201 (размер в плане 0,5 мм на 0,25 мм) и 01005 (размер
около 0,25 мм на 1,125 мм). Сопоставить размеры таких миниатюрных чипкомпонентов с уже традиционными типоразмерами 0805 и 0603 можно на
Рисунке 1.9.
Рисунок 1.9. Соотношение габаритов чип-компонентов различных типоразмеров
22
Необходимость обеспечения монтажа совершенно различных по
исполнению компонентов и последующего их совместного функционирования,
существенно усложняет технологию изготовления аппаратуры и требует учёта
при выборе материалов для формирования паяных контактов компонентов.
23
Глава 2. Проблемы обеспечения надёжности радиоэлектронных средств и
приборов при поверхностном монтаже компонентов
2.1. Факторы, определяющие надёжность
электронных модулей и радиоэлектронных компонентов
В соответствии со стандартом [66] под надёжностью понимается свойство
объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех
параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в
заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания,
хранения и транспортирования.
Радиоэлектронные средства представляют собой сложную техническую
систему, состоящую, в том числе, из ряда конструктивных элементов,
объединённых различными способами в целостную общность. Основным
конструктивным элементом радиоэлектронных средств является электронный
модуль. Любая составная часть системы может вносить свою лепту в появление
нарушений в процесс функционирования ЭМ, в том числе в нарушение
физической целостности конструкции ЭМ и электрических, теплофизических или
других параметров ЭМ и системы в целом.
Основными элементами ЭМ являются:
- радиоэлектронные компоненты (микросхемы, транзисторы, резисторы,
различные сенсоры и т.п.);
- коммутационная плата;
- соединения выводов компонентов с контактными площадками
коммутационной платы;
- несущая конструкция (корпус, рама и т.п.);
- конструктивные элементы отвода тепла;
- крепёжные элементы;
- элементы защиты от внешних воздействий (амортизаторы, экраны и т.п.).
Способность электронных модулей выполнять требуемые функции в
наибольшей степени зависит от тех элементов системы, которые отвечают за
радиотехнические параметры ЭМ, а именно: коммутационная плата, компоненты,
соединения выводов компонентов с контактными площадками коммутационной
платы (Рисунок 2.1.). Соответственно, вклад надёжности этих трёх составляющих
в надёжность ЭМ как системы является определяющим.
24
Рисунок 2.1. Три основных составляющих надёжности ЭМ
На этапе эксплуатации надежность ЭМ зависит от субъективных и
объективных факторов. К субъективным факторам относят присутствие
операторов и их работу по эксплуатации и обслуживанию аппаратуры, эти
факторы вызывают, в среднем, около четверти отказов. Основная масса отказов
радиоэлектронных средств определяется объективными факторами. Объективные
факторы можно подразделить на внешние, приводящие к отказам по причинам, не
зависящим от самой аппаратуры, и внутренние - зависящие от особенностей
конструкции аппаратуры и входящих в неё компонентов. Классификация
эксплуатационных объективных факторов представлена на Рисунке 2.2.
К внешним факторам относят действие окружающей среды (в основном климатические воздействия), особенности эксплуатации, связанные с местом
установки модулей (в основном - механические воздействия), а также режимы
работы. Под режимом работы будем понимать частоту включений и
переключений, при которых в аппаратуре могут возникать переходные тепловые
процессы, механические и электрические перенапряжения, импульсы тока и т. п.
Частые включения и выключения влияют на механический износ ряда
элементов модулей. В некоторых видах аппаратуры, предназначенных для
циклической работы, существенное влияние на тепловой режим оказывает
соотношение длительности функционирования и перерывов в работе.
К внутренним факторам относятся процессы износа и старения. Износ, в
основном, имеет место в процессе эксплуатации и зависит от воздействия ряда
внешних факторов и от режимов работы модулей, причем вероятность влияния
внешних факторов возрастает по мере увеличения длительности эксплуатации и
при нарушении режимов работы. Процессы старения происходят непрерывно,
25
причем как во время работы, так и во время хранения изделий, хотя и с разной
скоростью.
Эксплуатационные
объективные факторы
Внешние факторы
Режимы
работы
Температура
Механические
воздействия
Климатические
воздействия
Переходные
процессы
Внутренние факторы
Удар
Влажность
Вибрация
Атмосфер.
давление
Солнечная
радиация
Износ
Старение
Звуковое
давление
Ускорение
Примеси в
воздухе
Биологич.
факторы
Рисунок 2.2. Классификация объективных эксплуатационных факторов,
действующих на радиоэлектронные компоненты
Принимая во внимание наличие взаимовлияния в смысле обеспечения
надёжности друг на друга отдельных составляющих электронных модулей, тем не
менее, рассмотрим сначала каждый элемент в максимальной степени
обособленно.
2.2. Влияние факторов коммутационной платы на надёжность
электронных модулей и радиоэлектронных компонентов
Коммутационная плата в электронных модулях РЭС выполняет ряд
важнейших функций. В том числе, как собственно вытекает из названия – это
коммутационная функция, обеспечивающая электрическое соединение отдельных
элементов схемы устройства с передачей электромагнитной энергии в заданном
широком диапазоне частот и мощностей. Далее, это функция механического
крепления компонентов и конструктивного оформления электронного модуля с
обеспечением частичной защиты от внешних воздействий; функция обеспечения
теплового режима работы компонентов и модуля в целом; функция обеспечения
26
контролепригодности отдельных цепей, компонентов и модуля.
В зависимости от назначения и сферы использования РЭС, особенностей
используемой ЭКБ, находит применение широкая гамма технологий изготовления
коммутационных плат [29, 32, 44 – 49, 62, 67, 68]. Среди основных можно
отметить:
- технология печатных плат с применением органических диэлектриков
(жёстких, гибких, гибко-жёстких);
- технология керамических многослойных плат;
- технология толстоплёночных многоуровневых плат на керамических или
металлических основаниях;
- технология тонкоплёночных плат на различных жёстких и гибких
подложках;
- технология гибких плат на рулонных носителях;
- технология коммутационных плат на кремниевых подложках.
С целью реализации предусмотренных функций, коммутационная плата
должна содержать специфические элементы конструкции – контактные площадки
(КП). КП предназначены для контактирования к проводящим элементам
коммутационной платы в процессе изготовления и контроля платы и, самое
главное, для присоединения компонентов. Присоединение к КП на этапе монтажа
компонентов может производиться методами сварки или приклеивания
(неразъёмные соединения), либо методом пайки или прижимом (разъёмные
соединения). При сборке электронных модулей большинства видов РЭС основная
масса радиоэлектронных компонентов монтируется методом пайки.
С целью обеспечения способности КП к пайке используют материалы,
которые хорошо проводят электрический ток и смачиваются расплавленным
припоем без применения активных флюсов и других воздействий, способных
повредить коммутационную плату и компоненты. Основным, наиболее
распространённым материалом КП является медь с каким-либо защитным
покрытием. В связи с развитием бессвинцовых технологий, в последние годы
существенно расширилась номенклатура применяемых материалов покрытий КП.
К финишным покрытиям контактных площадок КП предъявляется широкий
ряд требований с точки зрения обеспечения надёжности аппаратуры и
возможности выбора для конкретных условий применения. Материал КП и
финишное покрытие должны обеспечивать:
- хорошую паяемость и смачиваемость припоем и быть способными
сохранять эти качества после воздействия различных сред, способствующих
старению;
- совместимость с профилем пайки и паяльными пастами, с другими
материалами компонентов и плат (в большинстве случаев, должны позволять
27
использовать профиль пайки с максимальной температурой 230-245°С);
- совместимость с технологией поверхностного монтажа и (при
необходимости) с технологией разварки проволочных выводов компонентов и
перемычек;
- совместимость с запрессовываемыми разъемами и разъемами с высокой
плотностью межсоединений;
- необходимую прочностью и износоустойчивостью для стабильного
контактирования при осуществлении электрического контроля в процессе
производства и эксплуатации;
- сохранение всех своих параметров в заданных пределах во время хранения
до монтажа и в эксплуатации;
- экономическую эффективность процесса производства и применения.
В качестве финишного покрытия медных КП наиболее часто используются
покрытие, полученное методом горячего лужения (HASL - Hot-Air Solder
Leveling). Для этих целей используются традиционные оловянно-свинцовые
припои и ряд бессвинцовых. В Таблице 2.1. приведены распространённые сплавы
для покрытия контактных площадок плат методом горячего лужения и их
температуры плавления.
Таблица 2.1.
Типы сплавов для покрытия контактных площадок плат методом горячего лужения
Сплав
Sn99,3/Cu0,7
Sn96,5/Ag3,5
Sn96,2/Ag3,2/Cu0,5
Sn90/Ag2,0/Bi7,5
Sn62/Pb38
Температура плавления, °С
227
221
218
186-212
183
В ходе HASL-процесса горячего лужения платы флюсуют и погружают в
ванну с расплавленным припоем на время, необходимое для качественного
смачивания КП припоем. Во время изъятия платы из припоя её обдувают жёсткой
струей горячего воздуха, сдувающей излишки припоя и выравнивающей
покрытие. Тем не менее, на разно размерных площадках остаточная толщина
покрытия будет различной, наблюдаются наплывы и утонения, что может
представлять проблему для качественного монтажа компонентов с малым
размером и малым шагом выводов. Попытки более тщательно сдувать излишки
припоя за счёт повышения температуры воздушного ножа и времени обработки
приводят к росту интерметаллидов SnXCuY вплоть до потери паяемости.
Типичная толщина покрытия — от единиц до 40 мкм.
28
Главный недостаток HASL-процесса — жесткий термоудар, который
испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Особенно это
критично для многослойных плат из-за неравномерного расширения
относительно толстого пакета при высоких скоростях нагрева со снижением
надёжности внутренних межсоединений.
Так как температура плавления большинства бессвинцовых сплавов выше,
чем оловянно-свинцовых, платы при нанесении бессвинцового HASL покрытия
будут испытывать еще бо́льший термоудар. Кроме того, повышение температуры
приведет к образованию увеличенного количества шлама.
Тем не менее, покрытие HASL по сумме характеристик заслуженно
находится среди наиболее распространённых, так как обеспечивает отличную
сохраняемость паяемости (1 год и более).
Более равномерный по толщине слой из припойного сплава можно получить
оплавлением гальванического покрытия. Для создания таких покрытий припой
или олово электролитически наносится на контактные площадки и проводники на
плате перед нанесением паяльной маски.
При электролитическом нанесении покрытия плата погружается в ванну с
водным раствором, содержащим ионы наносимого металла (Mn+). В ванне
размещается анод из металла, подлежащего нанесению (M). В этом случае
металлизация платы играет роль катода. При подключении к аноду и катоду
внешнего источника тока происходит электролитическое нанесение покрытия
посредством следующих реакций:
реакция на катоде: M n  ne   M ;
реакция на аноде: M  M n  ne  .
Электролитическое нанесение происходит до тех пор, пока между катодом
и анодом приложено напряжение. Толщина электролитически нанесенного
покрытия пропорциональна протекающему току и времени нанесения. Однако, на
практике для каждого материала существуют ограничения. Помимо ионов
металлов в растворе присутствуют другие вещества, которые сильно влияют на
свойства покрытия.
Затем нанесённое покрытие (припойный сплав или олово) могут быть
селективно стравлены, чтобы открыть области проводящего рисунка, на которые
будет наноситься паяльная маска. После этого покрытие оплавляется. Основное
преимущество данного метода по сравнению с HASL-процессом в гораздо
меньшем разбросе толщины покрытия, так как электролитическое нанесение
позволяет создавать более равномерные по толщине покрытия, удовлетворяющие
требованиям технологии монтажа компонентов с малым шагом. Такое покрытие
обладает хорошей паяемостью, длительным временем хранения (по меньшей
мере, 1 год), хорошей пригодностью поверхности к электрическому
29
тестированию. К недостаткам оплавленного гальванического покрытия можно
отнести повышенное воздействие на окружающую среду, вызванное
стравливанием припоя или олова и, как следствие, ограниченное, уменьшающееся
количество производителей, использующих данную технологию. Другие
недостатки – это дополнительное тепловое воздействие при оплавлении и
повышенный риск попадания припоя в отверстия.
В настоящее время очень широко применяется покрытие КП химически
восстановленным никелем с последующим иммерсионным золотом (ENIG Electroless Ni & Immersion Gold).
Нанесение методом химического восстановления (автокаталитическое
нанесение) и иммерсионное нанесение не требуют внешнего источника питания.
При нанесении методом химического восстановления источником электронов,
требуемых для протекания реакции, является восстановитель (R), окисляющийся,
как показано ниже:
n
.
M n  R  M  Rox
В данном случае не требуется электрические соединения и аноды,
нанесение происходит непрерывно до тех пор, пока плата не извлекается из
ванны, либо в растворе исчерпываются ионы металла или восстановитель,
поэтому возможно нанесение покрытий большой толщины. Раствор, в котором
производится нанесение, как правило, имеет сложный состав и включает в себя
ионы металла, восстановители, хелатообразующие вещества, вещества, влияющие
на проводимость, различные улучшающие какие-либо параметры покрытия
присадки.
Иммерсионное нанесение – нанесение металлического покрытия (M) на
металлическое основание (S) из раствора, содержащего наносимый металл, при
котором металл основания замещается ионом металла из раствора, имеющим
меньший стандартный электродный потенциал, чем замещаемый ион металла.
При иммерсионном нанесении электроны, требуемые для протекания реакции,
обеспечиваются самим основанием, и восстановитель не требуется:
M n  S  S n  M .
Для иммерсионного нанесения не требуются электрические соединения и
аноды. Толщина нанесенного металла в этом случае ограничена процессом, так
как нанесение прекращается, когда покрыта вся поверхность основания, поэтому
возможно нанесение только относительно тонких покрытий (< 0,5 мкм).
Процесс создания покрытия ENIG включает в себя нанесение слоя никеля
(толщиной 3 – 6 мкм) методом химического восстановления и последующего
иммерсионного нанесения слоя золота (0,05 – 0,125 мкм). Тонкое золотое
покрытие является защитным, предотвращающим окисление никеля, а сам никель
служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди, а после
30
пайки – олова и меди.
Преимущества данного покрытия в том, что оно обеспечивает очень
высокую плоскостность поверхности для пайки поверхностно-монтируемых
компонентов, хорошую пригодность для электрического тестирования платы,
приемлемую поверхность для краевых нажимных и скользящих контактов и
запрессовки, а также приварки алюминиевых проволочных выводов. Также
данное покрытие имеет хорошую смачиваемость и пригодность к многократной
пайке.
Характерный для покрытия ENIG дефект — так называемые «чёрные
контактные площадки», появляющиеся на поверхности из-за оголения никеля и
выделения фосфора (неизбежно попадающего в слой никеля в процессе
осаждения в количестве 6 – 10%), если тонкий слой золота растворяется в припое
раньше, чем припой смочит никель. Припой скатывается с фосфорированной и
окисленной поверхности никеля, из-за чего и проявляется эффект «черной
контактной площадки». Такой дефект может появляться при передержке процесса
пайки, при неправильном выборе флюса, при отклонениях от оптимальных
режимов золочения.
Покрытию ENIG присущи следующие недостатки: процесс нанесения
покрытия сложный и многостадийный (включает в себя более 20 операций),
обладает более высокой стоимостью по сравнению с горячим лужением, ENIG
капризно в выборе флюсов, имеется риск образования «черных площадок».
В последние годы получило распространение модифицированное покрытие
ENIG – химически восстановленный никель / химически восстановленный
палладий / иммерсионное золото (ENEPIG – Electroless NiPd & Immersion Au).
Финишное покрытие ENEPIG представляет собой покрытие ENIG, между слоями
никеля и золота которого нанесен слой палладия (0,1 – 0,5 мкм). Палладий
наносится для защиты склонного к окислению никеля. При пайке палладий
должен быть растворён в припое, как и золото. Смачивание припоем идёт по слою
никеля, поэтому толщина палладия должна быть достаточна для защиты никеля,
но не слишком большая, чтобы не препятствовать полному его растворению при
пайке.
Преимущества покрытия ENEPIG включают в себя: отличную паяемость,
очень высокую плоскостность поверхности, сравнимую с ENIG, возможность
пайки оплавлением, пайки волной, приварки алюминиевой и золотой проволоки,
запрессовки контактов, хорошая пригодность к проведению электрического
тестирования платы, исключение образования «черных площадок», так как
палладий является барьерным слоем, предотвращающим окисление никеля при
нанесении золота.
В азиатских странах, а затем и по всему миру, получило распространение
31
органическое защитное покрытие OSP (Organic Solderability Preservative) на
основе бензотриазола или имидазола. Покрытие OSP имеет толщину 0,15 – 0,65
мкм и обеспечивает защиту медной поверхности печатных проводников и
контактных площадок от окисления в процессе хранения и пайки. По завершению
процесса пайки такой слой, выполнив свою функцию, теряет способность
обеспечивать последующие процессы пайки, так как практически полностью
исчезает. OSP может быть альтернативой HASL для потребительской аппаратуры,
хотя имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на
технологической надежности. Это покрытие не обеспечивает многократную
пайку, тем более при высоких температурах, и чтобы избежать затруднений,
приходится использовать азот в качестве нейтральной среды пайки. Плюсом
покрытия OSP является высокая гладкость, возможность применения для плат и
компонентов с мелким шагом контактов (в том числе BGA) и мелких
компонентов, относительная дешевизна, экологическая безопасность. Однако OSP
требует деликатного обращения – необходимо использовать перчатки и
исключить возникновение царапин, доступен весьма узкий диапазон рабочих
режимов при монтаже и ограниченный срок хранения, присутствует крайняя
затрудненность проверки, возможная необходимость очистка от бракованного
оттиска припойной пасты может привести покрытие в негодность. Всё
перечисленное серьёзно ограничивает область применения покрытия OSP, делает
его неприемлемым для большинства специальных изделий.
В американской промышленности получило распространение покрытие
иммерсионное серебро (ImmAg – Immersion Ag). Толщина ImmAg составляет 0,12
– 0,40 мкм. Жизнеспособность ImmAg гораздо выше, чем OSP, но меньше, чем
ENIG.
В результате загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами
происходит изменение цвета серебряного покрытия в процессе хранения, сборки
и пайки, что снижает декоративность покрытия и может приводить к снижению
паяемости. Консервирующие добавки из антиокислителей тормозят процесс
пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия.
Иммерсионное серебро имеет высокую гладкость, что хорошо подходит для
плат с мелким шагом и мелких компонентов (в том числе BGA), обладает средней
стоимостью среди распространённых покрытий и средним сроком хранения.
Однако, ImmAg требует деликатного обращения в связи с возможность
потускнения металла и появлением проблем косметической отделки –
необходимо использовать перчатки. Платы с таким покрытием требуют
использования специальной упаковки, позволяющей после изъятия части плат для
сборки оставшуюся часть партии плат вновь быстро герметично закрывать. При
использовании ImmAg следует особенно тщательно подходить к надёжности
32
логистической цепочки, не допускать задержек в поставках и хранения в
неконтролируемых условиях. В информационных источниках имеются сведения о
более высоком уровне дефектов, связанных с разворотом компонентов при
оплавлении припойной пасты на покрытии ImmAg, по сравнению с покрытиями
ENIG и горячим лужением [69].
В последние годы растёт популярность иммерсионного олова (ImmSn –
Immercion Sn) за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса
осаждения. ImmSn демонстрирует лучшую паяемость, нежели ENIG, и при этом
существенно дешевле. Типовая толщина покрытия около 1 мкм, однако имеется
информация о толщинах этого покрытия до 40 мкм [70]. Покрытие ImmSn имеет
высокую гладкость и хорошо подходит для плат с мелким шагом и мелких
компонентов (в том числе BGA), подходит для прессовой посадки разъёмов.
В случае осаждения покрытия ImmSn толщиной около 1 мкм без барьерного
подслоя, на границе с медной КП будет наблюдаться образование
интерметаллических соединений CuXSnY, что существенно снизит надёжность
изделий и возможность применения плат с таким покрытием. Причем
способность к пайке исчезала через две недели, поскольку весь слой
иммерсионного олова (1 мкм) превращался в интерметаллид [62]. Однако, теперь
научились предотвращать подобный эффект, вводя барьерный подслой
различного содержания (органический металл и др). Способность к пайке ImmSn
(0,5 – 0,8 мкм) с барьерным подслоем (0,08 – 0,1 мкм) сохраняется не менее 1
года.
Покрытие ImmSn требует деликатного обращения – необходимо
использовать перчатки. Следует обратить внимание на возможность появления
«усов олова» при больших толщинах покрытия (10 и более мкм), однако, малая
толщина покрытия (0,5 – 1 мкм) не позволяет самопроизвольно образовываться
нитевидным кристаллическим оловянным усам.
Наиболее распространённые варианты материалов покрытий КП и
изменение предпочтений в течении 6 лет производства современной аппаратуры
[71] представлены на Рисунке 2.3.
Сравнение финишных покрытий КП коммутационных плат проведено в
Таблице 2.2.
33
Рисунок 2.3. Применяемость основных финишных покрытий печатных плат
в мировой практике
Таблица 2.2.
Сравнение финишных покрытий контактных площадок коммутационных плат *
Покрытие
Органическое
защитное покрытие
(OSP)
Химически
восстановленный
никель /
иммерсионное
серебро (ENIAg)
Химически
восстановленный
никель/
иммерсионное золото
(ENIG)
Химически
восстановленные
никель/ палладий
плюс иммерсионное
золото (ENEPIG)
Паяемость
Паяемость
после
ПлосСрок
нескольки
костхранения
х циклов
ность КП
нагрева
4
1
4
3
5
3
4
4
5
4
5
5
5
5
5
4
34
Примечание
Затруднён
электрический
контроль
Иммерсионное
серебро (ImmAg)
Иммерсионное олово
(ImmSn)
Горячее
лужение
оловянно-свинцовым
припоем (HASL)
*Примечание:
4
3
3
5
4
3
4
4
5
4
5
3
Требуется доп.
защита от серы
Значение параметра указано в баллах: 5 – отлично, 4 – хорошо,
3- удовлетворительно, 2 – плохо, 1 – очень плохо.
2.3. Влияние факторов конструктивного оформления компонентов на
надёжность их контактов
Радиоэлектронный компонент – неотъемлемая часть, основа построения
РЭС и приборов. Как правило, в радиоэлектронном приборе содержится большое
число разнообразных компонентов, выполняющих широкий спектр функций и
имеющих различное конструктивно-технологическое оформление. В силу своей
сложности и многочисленности, радиоэлектронные компоненты вносят
существенный вклад в обеспечение надёжности аппаратуры.
К качеству и надёжности компонентов предъявляются очень высокие
требования, независимо от того, в какой радиоэлектронной аппаратуре они будут
применены. Подсчитано [72], что если при изготовлении некоего ЭМ,
содержащего 100 компонентов, будут использоваться партии компонентов с
долей дефектных в пределах 0,01% (то есть 100 дефектных изделий на один
миллион поставленных), процент отказов ЭМ, на которых смонтированы такие
компоненты, составит 9,5%. При дефектности партий компонентов в пределах
1%, выход годных ЭМ составит 63,4%, то есть брак составит 36,6%. Этот пример
иллюстрирует важность учёта всех факторов для достижения высоких
показателей надёжности радиоэлектронной аппаратуры.
Надёжность компонентов при эксплуатации характеризуется кривой
зависимости интенсивности отказов λ от времени (Рисунок 2.4). На этой кривой
видно относительно высокое значение λ в период ранних отказов (период
приработки), сравнительно низкое и постоянное значение в период нормальной
эксплуатации и возрастающая интенсивность в период износа (примерно через
25-30 лет нормальной работы). Ранние отказы возникают, как правило, вследствие
конструктивных и технологических недостатков. В нормальных условиях работы
этот период длится, как правило, до 1000 ч. На окончание этого этапа указывает
выравнивание кривой интенсивности отказов.
35
Период нормальной работы
(случайные отказы)
Период старения
(износовые отказы)
Интенсивность отказов
Период приработки
(ранние отказы)
Время эксплуатации
Рисунок 2.4. Типовая зависимость интенсивности отказов компонентов
от времени эксплуатации
Интенсивность отказов в период приработки имеет тенденцию к
уменьшению по мере усовершенствования и отработки конструкции и технологии
производства компонента [73].
В настоящее время общепринятыми считаются два направления увеличения
надёжности выпускаемых компонентов:
- устранение причин отказов за счёт совершенствования конструкции и
технологии изготовления, то есть воздействия на процесс производства
посредством обратной связи и создание, в результате, бездефектной технологии;
- выявление и удаление компонентов с отказами (действительными и
потенциальными) из готовой партии до поставки потребителю.
Наиболее эффективным методом повышения качества и надежности
выпускаемой продукции радиоэлектроники является первый.
С целью использования как первого, так и второго методов повышения
надёжности компонентов, постоянно проводится изучение физико-химических
механизмов деградации элементов конструкции компонентов, влияния примесей
в используемых материалах, различных факторов технологических процессов,
условий производства и эксплуатации.
В отечественной практике достаточно хорошо отработаны приёмы и
методики физико-технической экспертизы элементов конструкции ЭКБ [74]. Для
экспертизы используют интегральные методики оценки качества компонентов, в
том числе контроль распределения потенциалов и температурных полей,
применение метода наведённого заряда, контроль геометрических размеров
элементов (линейные размеры, рельеф, конфигурация), анализ качества
материалов (время жизни носителей заряда, химическая чистота, пористость
36
слоёв), анализ качества реализации конструктивных элементов (герметичность
корпуса, состав среды подкорпусного пространства, коррозионная стойкость) и
многое другое. С целью повышения эффективности процедур контроля, широко
применяются специальные тестовые структуры, которые либо внедряются
непосредственно в компонент, либо обрабатываются параллельно с реальным
компонентом и являются так называемым «свидетелем».
Поскольку отказы компонентов возможны даже при отлаженном
производстве, распространённым способом повышения их качества и надежности
является проведение отбраковочных (технологических) испытаний в процессе
изготовления и выходного контроля ЭКБ у изготовителя.
Считается, что каждый отказ имеет причину и является следствием
приложения некоторой нагрузки. Потенциально дефектные ("слабые")
компоненты, если они не выявлены к началу эксплуатации, могут явиться
причиной отказа аппаратуры.
Для того, чтобы отбраковочные испытания были эффективными,
устанавливают взаимосвязь между различными видами нагрузки и появлением
отказов. Воздействие на ЭКБ повышенной температуры и циклической смены
температур ускоряет многие механизмы отказов. Повышенные температуры
вызывают ускорение химических реакций, обусловливающие, например,
коррозию алюминия на кристалле, старение, ухудшение изоляции, усадку
пластмасс, увеличение токов утечки и др. Термоциклы также являются
ускоряющим воздействием и хорошо выявляют негерметичность корпуса. Влага
при термоциклах проникает в негерметичные объёмы и вызывает увеличение
токов утечки и коррозию металлизации. Напряжённые места конструкции,
склонные к образованию трещин, также выявляются при термоциклах. Смена
температур в большинстве случаев являются нормальным режимом работы ЭКБ в
аппаратуре, так как это связано с изменением внешней температуры (например,
суточные циклы) и саморазогревом аппаратуры при включении и выключении.
Кроме климатических используются механические испытания с постоянной или
изменяющейся нагрузкой, которые могут выявлять дефекты сборочных операций
(монтаж кристалла, внутренние соединения, внешние элементы конструкции).
Опыт использования отбраковочных испытаний в производстве
компонентов показывает существенное повышение среднего уровня их
надёжности при правильном установлении методов и режимов отбраковки [75].
В ТУ обычно указывается состав обязательных отбраковочных испытаний,
их режимы и последовательность. Часто изготовители ЭКБ в начальный период
производства расширяют состав отбраковочных испытаний сверх обязательных в
соответствии с общими техническими условиями (ОТУ). Однако, при наборе
статистики по причинам отказов компонентов (как в процессе производства, так и
37
поступивших от потребителей) и принятии на основе результатов анализа
конструктивно-технологических решений по ликвидации причин преобладающих
отказов, то есть в ходе повышения управляемости и стабильности технологии
производства, изготовитель может сокращать время проведения отдельных
испытаний, изменять их режим или отменять отдельные виды дополнительных
отбраковочных испытаний.
Предприятия, изготавливающие радиоэлектронные компоненты и
применяющие их при сборке аппаратуры, достаточно эффективно используют
отработанные методики обеспечения качества изготовления продукции.
Сложились традиционные приёмы для каждого вида
аппаратуры,
обеспечивающие нахождение компромисса между требованиями к надёжности
аппаратуры и затратами на их достижение. Однако, с появлением и развитием
бессвинцовых технологий, появился ряд новых требований и технических
решений, которые внесли в производство массу факторов, требующих
всестороннего анализа и учёта.
В первую очередь, появились новые и распространились ранее редко
встречающиеся виды покрытий контактов радиоэлектронных компонентов.
Выводные и безвыводные контакты компонентов, пригодных для бессвинцового
монтажа, сегодня могут иметь покрытие из более чем десятка разнообразных
материалов.
Наиболее распространённые покрытия, пригодные для
бессвинцового монтажа представлены на Рисунке 2.5.
Рисунок 2.5. Распределение популярных покрытий контактов компонентов
под пайку бессвинцовыми припоями [62]
Одним из лидирующих на текущий момент покрытием контактов
компонентов является матовое гальваническое олово для дискретных
компонентов и для SMT-компонентов с коротким жизненным циклом (5 лет и
38
менее) и матовое гальваническое олово с никелевым подслоем для долгоживущих
компонентов (более 5 лет). Чистое олово хорошо паяется в широком диапазоне
температур, но его использование опасно из-за возможности образования «усов».
Однако, после пайки чистое олово растворяется в материале паяного соединения
и угроза исчезает, но только там, где покрытие было расплавлено и претерпело
взаимодействие с другими металлами. На участках, где покрытие сохранилось в
первоначальном виде, опасность образования усов сохраняется.
Гальваническое золото используется много лет и не имеет каких-либо
нареканий, кроме относительной дороговизны и дополнительных затрат на сбор
отходов, кроме того, необходимо помнить, что для толстых покрытий (0,5 мкм и
более) необходимо предпринимать специальные меры для полного растворения
золота в припое (например, предварительное лужение) во избежание образования
хрупких прослоек интерметаллидов.
Покрытие никель-бор распространено для дискретных компонентов,
например чип-конденсаторов. Данное покрытие часто капризно ведет себя у
потребителя. Проблемы, возникающие в процессах подготовки выводов с
покрытием NiB к пайке и в ходе самой пайки, до конца не изучены. Тем не менее,
из-за дешевизны оно имеет тенденцию к распространению в России.
Покрытие олово-висмут встречается в нескольких видах. Эвтектический
сплав 42Sn58Bi имеет температуру плавления 138 °С. Аналогичный сплав, но
содержащий 3% висмута, плавится уже при температуре 215–220 °С. Сплавы SnBi
с низким содержанием висмута тоже могут проявлять способность к образованию
усов.
Сплавы олово-серебро обладают хорошей паяемостью и хорошими
механическими свойствами, однако их стоимость относительно высока. Сплав
Sn3,5Ag наиболее дешев из этого семейства, но проявляет склонность к
образованию усов. Сплав Sn5,0Ag лишен подобного недостатка, хотя дороже и
имеет неприемлемо высокую температуру плавления. Трёхкомпонентные сплавы
Sn4Ag0,5Cu часто используют для шариковых выводов BGA и лужения выводов
компонентов для пайки в отверстия печатных плат.
Сплав олово-медь эвтектического состава Sn0,7Cu - относительно дешевый,
мелкозернистый, демонстрирующий хорошую паяемость. Но и он проявляет
склонность к образованию усов. Плавится при температуре 227 °С.
Как видно из краткого обзора покрытий контактов компонентов,
разнообразие их велико, каждое требует особого подхода к монтажу и многие
оставляют реальной опасность роста оловянных усов или вискеров, которые часто
приводят к отказам [76]. Внешний вид растущих усов (вискеров) на оловянном
покрытии выводов компонентов показан на Рисунке 2.6.
39
Рисунок 2.6. Растущий вискер на блестящем оловянном покрытии
через 4 и 12 недель с момента начала наблюдений
Снимок сделан растровым электронным микроскопом [76]
Природа появления вискеров изучена недостаточно, однако установлено,
что образованию вискеров способствуют внутренние механические напряжения
сжатия в покрытиях. Эти напряжения зависят от множества факторов: материала
и методов изготовления выводов, наличия и толщины подслоев покрытия,
режимов нанесения покрытия, размера зерна покрытия , образования и диффузии
интерметаллидов, механических воздействий, таких как изгиб и формовка,
разницы коэффициента теплового линейного расширения (КТЛР) материалов
вывода и покрытия. В этом смысле матовые гальванические покрытия имеют
преимущества по сравнению с блестящими. Современная теория оловянных
вискеров и практические рекомендации по ослаблению их роста изложены в
публикациях JEDEC и IPC [77, 78].
Новые аспекты, требующие учёта в связи с распространением бессвинцовых
технологий при применении радиоэлектронных компонентов, не исчерпываются
только новизной покрытий контактов компонентов и связанными с этим
материаловедческими, технологическими и конструктивными проблемами.
Высокие температуры пайки требуют от компонентов успешного прохождения
испытаний на термоудар, который происходит при нагревании до температуры
пайки и при контакте с расплавленным припоем. Температура нагрева корпуса
40
компонента может достигать 260 °С и даже 280 °С. Из-за более высокой
температуры плавления бессвинцовых припоев и худшей смачиваемостью
рабочие температуры пайки бессвинцовыми припоями превышают температуры
пайки для эвтектических сплавов SnPb на 40 °С и более.
В таких жестких температурных условиях не должно наблюдаться эффекта
«поп-корна», то есть корпуса не должны взрываться, деформироваться,
обесцвечиваться и подплавляться. По этой причине материалы корпусов
компонентов должны обладать высокой термостойкостью и малой склонностью к
сорбированию влаги, так как захваченная влага при быстром нагреве мгновенно
переходит в пар и давление пара вызывает вздутие корпуса и другие дефекты.
Даже если элементы конструкции корпуса внешне не проявляют повреждений,
возможно образование внутренних дефектов, таких как расслоение и деструкция
адгезивов и полимерных покрытий кристалла.
Существуют нормативные документы [79], определяющие уровни
температуры и влажности, после которых корпуса компонентов должны
выдерживать режимы монтажа, в том числе термоудар.
2.4. Влияние факторов технологии присоединения на надёжность
радиоэлектронных компонентов
В процессе изготовления РЭС на этапе сборки электронных модулей
происходит механическое и электрическое объединение разнообразных
радиоэлектронных компонентов и коммутационных сред в единое целое путём
формирования соответствующих соединений. В подавляющем большинстве
случаев для современной ответственной аппаратуры эту операцию производят
методами пайки легкоплавкими припоями. В процессе пайки происходит
смачивание расплавленным припоем специально предназначенных для этого
поверхностей радиоэлектронного компонента и КП коммутационных плат. После
остывания и затвердевания припоя формируется паяные контакты компонента с
платой или как часто называют в литературе – паяные соединения (ПС).
Наиболее слабым звеном в созданной конструкции является сам паяный
шов или его реакционная зона [80, 81].
Существует множество вариантов конструкции паяных соединений, что
определяется разнообразием исполнений компонентов и коммутационных плат,
применяемыми технологиями и материалами для пайки. Общее же у всех
вариантов ПС одно – они вносят свою лепту в обеспечение надёжности РЭС.
Отказы ПС проявляются как на стадии изготовления РЭС, так и на стадии
эксплуатации, обслуживания и ремонта. Можно выделить два вида отказов ПС:
обрыв связи и короткое замыкание. Механический обрыв связи в ПС наступает в
41
том случае, если нагрузка превышает его предел прочности. Прочность ПС
определяется множеством конструктивно-технологических факторов и имеет
тенденцию к уменьшению во времени, вследствие наличия физико-химических
деградационных процессов - механизмов отказов.
Несмотря на кажущуюся простоту, ПС обладают большим набором
механизмов отказов (интерметаллизация, диффузия примесей, электрохимическая
коррозия, усталость и т.д.).
При получении паяного соединения протекает процесс диффузии, который
определяется первым (1) и вторым (2) законами Фика.
J = - D dC ;
dx
dC
dC 2
D 2 ,
dt
dx
(1)
(2)
где: J - плотность диффузионного потока вдоль оси х, моль/(см2 с);
D – коэффициент диффузии;
C – объёмная концентрация атомов примеси.
Коэффициент диффузии зависит от температуры. Эта зависимость
выражается уравнением
D = Doe-E/RT ,
где Е - энергия активации процесса диффузии, Дж/моль; T – абсолютная
температура, оК; R – универсальная газовая постоянная; Do - коэффициент,
независящий от температуры.
При взаимном прямо противоположном диффузионном проникновении
компонентов, участвующих в формировании ПС, их потоки не равны друг другу.
В результате возникает не скомпенсированный поток вакансий, что приводит к
упругопластичному смещению кристаллических слоев (эффект Киркендалла) с
образованием рассеянных микроскопических полостей.
Кроме того, в области контакта припоя и материала проводника могут
образовываться трещины, причиной которых является разность атомных объемов
диффундирующих атомов, разность скорости миграции различных атомов,
поглощение избыточных вакансий Киркендалла дефектами структуры
зарождающихся химических соединений (эффект Френкеля), а также
интерметаллические соединения.
Врождённые или накопившиеся при хранении и эксплуатации дефекты ПС
становятся, со временем, причиной отказа. К распространённым и достаточно
сильно проявляющим себя дефектам можно отнести локальное отсутствие
смачивания паяемых поверхностей припоем; эрозия поверхностей; газообразные,
42
флюсовые или шлаковые включения в припой; кристаллизационные,
релаксационные и термические трещины; прослойки хрупких соединений.
Химический анализ поверхностей излома ПС показал [82], что олово из
припоя легко диффундирует, взаимодействует с другими металлами, в частности
с медью, образуя интерметаллические соединения, которые являются
потенциально слабыми поверхностями раздела в конструкции радиоэлектронного
изделия.
Другой причиной отказов ПС может быть растрескивание припойного
сплава вдоль границы раздела между фазами Pb и Sn [83]. Долговечность ПС
уменьшается по мере увеличения трещин. Развитие трещин обусловливается как
несоответствием температурных коэффициентов расширения коммутационной
платы, корпуса и выводов компонентов, так и некоторыми физическими
характеристиками микроструктуры сплава Pb-Sn, которые могут служить
определяющими параметрами при прогнозировании безотказности ПС.
Зарождение и развитие трещин в ПС сопровождается изменением
микроструктуры и химических характеристик. Микроструктура ненадёжных ПС
характеризуется крупной зернистостью, деформированными чешуйчатыми и
сферическими структурами.
В процессе пайки в результате растворения в расплавленном припое
материалов выводов элементов или металлизации платы, с которыми
соприкасается припой, под действием диффузионных процессов в него могут
попадать Bi, Cd, Ni, Fe, Au, Ag, Pd, Zn и другие материалы. Большинство из них
начинает менять свойства припоя и оказывать существенное влияние на
безотказность и долговечность ПС [64]. Особенно легко растворяется в припое
медь выводов и контактных площадок плат, в результате чего ПС становится
хрупким и зернистым.
В ряде случаев доминирующим деградационным процессом является
ползучесть припоя, т.е. нарастание пластической остаточной деформации. На
завершающей стадии ползучести в ПС образуется сетка трещин и стадия
заканчивается хрупким изломом. Ползучесть и безотказность ПС тесно связаны
между собой и существенно зависят от динамики изменения температуры.
При наличии переменных нагрузок основным деградационным процессом
является усталость припоя, представляющая собой накопление микроскопических
деформаций, приводящих к разрушению спая. Источником усталостного
разрушения является действие переменных во времени напряжений. Процесс
постепенного накопления микропластических деформаций вызывает образование
микротрещин, которые начинают расти при повторных приложениях нагрузки в
результате концентрации напряжений у краёв ПС.
Возможной причиной обрывов и коротких замыканий в ПС является
43
электрохимическая коррозия, представляющая собой процесс переноса ионов
металлов в электролите под действием внешнего электрического смещения. Под
влиянием
электрического
смещения
между
ПС,
либо
контактом
радиоэлектронного компонента, и соседним участком металлизации платы или
компонента положительные ионы металла мигрируют в электролите к участкам
металлизации, находящимся под отрицательным потенциалом, и там
восстанавливаются до атомов и осаждаются в виде дендритов. Пример роста
дендритов на контактах конденсатора показан на Рисунке 2.7.
Рисунок 2.7. Дендриты на контактах керамического конденсатора
Образование дендритов может привести к увеличению токов утечки вплоть
до короткого замыкания. Если это расстояние значительно для перекрытия
образующимися дендритными цепочками, и замыкание не образуется, то в этом
случае за счет истощения ПС преобладающим видом отказов будет обрыв
электрической связи контакта радиоэлектронного компонента.
Наличие на поверхности или в объёме соединения загрязнений, например
хлоридных, является очень серьёзным фактором возникновения отказов. В этом
случае образуются продукты коррозии, и процесс химических преобразований
завершается достаточно быстро отказом.
В реальных условиях эксплуатации ПС практически все рассматриваемые
деградационные физико-химические процессы протекают одновременно и
постепенно приводят ПС в состояние отказа.
На протяжении последних лет сформировалось устойчивое представление,
что надёжность ПС определяется сочетанием двух явлений: наличием
приработочных отказов и наличием износовых отказов [84]. Эта ситуация
проиллюстрирована на Рисунке 2.8.
Под приработочными отказами понимаются отказы, возникшие при
технологических
(отбраковочных)
испытаниях,
таких
как
электротермотренировка, функциональный контроль, термоциклирование и т.п., а
также на начальном этапе эксплуатации. Такие отказы связаны, в основном, с
несовершенством производственных процессов, флуктуациями параметров
исходным материалов и общим уровнем обеспечения качества на предприятии.
44
Мгновенная интенсивность отказов,
FITs
Рисунок 2.8. Типовая «ваннообразная» кривая надежности для электронных
компонентов и паяных соединений поверхностного монтажа [84].
Кроме графика мгновенной интенсивности отказа для ПС
поверхностно монтируемых выводных и безвыводных компонентов, для
сравнения представлена кривая и для усреднённого «типового» электронного
компонента без паяных соединений. Срок службы паяного соединения
характеризуется, в первую очередь, правым нарастающим участком кривой, на
котором интенсивно проявляется износ. Это явным образом указывает на то, что
качество производства не может существенно повысить уровень надежности,
присущий данной конструкции в заданных условиях эксплуатации; однако,
недостаточное качество при производстве способно снизить этот уровень за счет
роста количества приработочных отказов.
Существенное влияние на надёжность РЭС оказывает выбор типа ПС выводное или безвыводное. Тип соединения определяет максимальный уровень
напряжения, которое испытывает припой в процессе термических циклов при
эксплуатации или испытаниях изделий.
Жесткие безвыводные соединения (то есть такие, когда контактные
поверхности компонента непосредственно припаиваются к контактным
площадкам платы) могут нагружать припой сверх предела его текучести, в то
время как соединения с упругими выводами находятся в более щадящих
условиях.
Выводные соединения обеспечивают более высокие пределы надежности,
которые повышаются с уменьшением жесткости вывода. Однако, безвыводные
45
компоненты обладают меньшими габаритами, а часто и меньшей стоимостью, что
делает их привлекательными для разработчиков аппаратуры.
Особое значение имеет вопрос обеспечения надёжности соединений
радиоэлектронных компонентов и её вклад в обеспечение надёжности аппаратуры
применительно к различным условиям эксплуатации. Этот обстоятельство
является определяющим при определении границ применимости тех или иных
материалов и технологий.
В работе М. Новоттника [85] из Ростокского университета (Германия)
проводиться анализ параметров припойных сплавов исходя из сравнения их
гомологической температуры. Под гомологической температурой понимается
отношение температуры эксплуатации припоя к температуре плавления припоя,
выраженной в градусах Кельвина (см. Рисунок 2.9.).
Рисунок 2.9. Влияние гомологической температуры на прочность
различных металлов [85]
Базируясь на известной зависимости для металлов, согласно которой
прочность металлов резко снижается при превышении гомологической
46
температуры значения 0,4, автор утверждает, что при комнатной температуре
мягкие припои имеют гомологическую температуру более 0,6, следовательно,
паяные соединения из мягких припоев испытывают пластическую деформацию.
Для припоев типа SnAgCu с температурой плавления около 490 °К, по
сравнению с припоями типа SnPb с температурой плавления около 456 °К, будет
наблюдаться более высокая усталостная прочность и, соответственно, будут
иметься преимущества для высокотемпературной электроники.
В этом выводе содержится правда, но это не вся правда. В этом выводе не
содержится информации, учитывающей возможность (необходимость) работы
аппаратуры при низких температурах, что принципиально для РЭС
ответственного назначения. А на холоде картина, с точки зрения надёжности
паяного соединения, существенно меняется.
В работах А. Шуберта (Schubert A.) [7, 86], проведённых в Институте
прикладных исследований надёжности и микроинтеграции им. Фраунгофера
(Fraunhofer IZM), были исследованы основные механизмы ползучести для
свинцовых и бессвинцовых припоев. На Рисунке 2.10. представлены результаты
этих исследований на примере стационарной ползучести при комнатной
температуре для припоев SnPbAg, SnAg, SnAgCu.
Анализ графиков показывает, что при малых напряжениях (<15 Мпа)
скорость ползучести для бессвинцовых припоев меньше, чем у
свинецсодержащего припоя SnPbAg. При повышенных напряжениях наблюдается
обратная картина и у свинцовых припоев имеются преимущества.
М. Новоттник исходя из предположения о том, что механические
напряжения в основном появляются из-за разности температурных
коэффициентов расширения различных материалов, справедливо делает вывод о
том, что при уменьшении размеров компонентов будут уменьшаться нагрузки на
паяное соединение и будут наблюдаться преимущества у бессвинцовых припоев,
для крупных компонентов с большими различиями температурных
коэффициентов применение бессвинцовых припоев может быть критичным.
47
Рисунок 2.10. Стационарная ползучесть при комнатной температуре
для некоторых припоев [86]
В данном случае, из рассмотрения выпали варианты применения
аппаратуры в условиях жёстких механических ударов и акустического шума. А
ведь для широкой гаммы аэрокосмической аппаратуры такие воздействия
являются нормальными условиями эксплуатации.
В работах Ж.-П. Клеха (Clech J.P.) [8, 87] был исследован процесс
образования трещин в паяных соединениях, выполненных припоями SnPb и
SnAgCu в зависимости от циклического растяжения. Выявленная зависимость
представлена на Рисунке 2.11.
Установлено граничное значение растяжения, равное 6,2%. При больших
деформациях лучшие значения надёжности имеют припои SnPb. На этом
основании зарубежными специалистами делается вывод, что при монтаже
миниатюрных компонентов (типоразмера 0402 и менее) с применением
бессвинцовых припоев SnAgCu (или как принято сегодня обозначать эти припои SAC) может быть достигнута большая надёжность. Правда, делается уточнение –
«особенно для высокотемпературных применений».
Для более крупных компонентов, начиная с размера 1206 (или с размером
грани 3,1 мм) тенденция меняется на противоположную и предпочтительным
становится припой SnPb.
48
Рисунок 2.11. Корреляция срока службы паяных соединений
при циклическом растяжении [87]
В литературе недостаточно уделяется внимания вопросам качества и
надёжности комбинированных или смешанных паяных соединений, когда
сочетаются бессвинцовые и свинцовые материалы. При этом, как правило,
рассматривается вариант пайки свинцового компонента (т.е. содержащего свинец
в материале контакта) бессвинцовым припоем. Например, приводятся данные
[85] (см. Рисунок 2.12.) о снижении температуры выпайки компонента при
использовании припоя SAC, загрязнённого свинцом из покрытия вывода.
Рисунок 2.12. Влияние содержания свинца в припое SnAgCu
на температуру выпайки компонента
На основании снижения температуры выпайки при загрязнении припоя SAC
свинцом делается вывод о снижении надёжности таких соединений относительно
чистых бессвинцовых.
49
Для отечественной промышленности комбинация свинцового покрытия
вывода компонента с бессвинцовым припоем не актуальна. В российских
условиях значительно более важным является рассмотрение варианта пайки
бессвинцового компонента свинцовым припоем. Это именно тот случай, с
которым сталкивается почти каждое предприятие при использовании импортных
ИЭТ в стандартном процессе сборки РЭА. О таком сочетании материалов
достоверная информация от иностранных производителей практически
отсутствует. Это объясняется тем, что для бытовой и промышленной аппаратуры
за рубежом повсеместно перешли на бессвинцовую технологию, а для
спецприменений используют ИЭТ в исполнении «military» или «space», на
которые «бессвинцовость» не распространяется.
Перед отечественными производителями радиоэлектронной аппаратуры
стоит задача разработки технологии как бессвинцового монтажа компонентов для
части выпускаемой импортоориентированной гражданской продукции, так и
технологии комбинированного монтажа широкой гаммы бессвинцовых
компонентов традиционными, содержащими свинец припоями (причём
одновременно с привычными отечественными компонентами) с обеспечением
уровня надёжности контактов, характерным для спецприменений.
2.5. Взаимосвязь факторов, определяющих надёжность
радиоэлектронных компонентов
Вариации характеристик всех материалов, участвующих в создании ПС, и
их химического состава, наличие допусков на геометрические размеры изделий,
флуктуации параметров технологических процессов приводят к разбросу
характеристик изделий. При высоком уровне качества производства эти вариации
ограничиваются на таком уровне, который не приводит к заметному снижению
характеристик изделия. При более низком качестве производства возможно
появление больших разбросов и дефектов, способных значительно снизить
характеристики надёжности изделия.
На Рисунке 2.13. представлены усреднённые данные по вероятности отказов
компонентов и соединений.
Параметры отказов соединений и компонентов обладают значительным
разбросом, обусловленным, кроме всего, различием в сложности компонентов и
особенностями конструкции аппаратуры. В документе [84] указывается, что чипкомпоненты отказывают с гораздо меньшей интенсивностью, чем это показано на
рисунке, в то время как для кристаллов с большим количеством входов и выходов
интенсивность отказов выше, однако, характер кривой сохраняется.
50
Накопленная вероятность отказов, %
Рисунок 2.13. Типовые вероятности отказов для электронных компонентов и паяных
соединений поверхностного монтажа [84].
Для ПС поверхностного монтажа не найдено никаких свидетельств наличия
периода случайных отказов; вполне вероятно, что все время эксплуатации
интенсивность отказов описывается суперпозицией приработочных и износовых
отказов. Из рисунков 2.8 и 2.13 видно, что надежность электронных компонентов
определяется участком случайных отказов. Напротив, надежность ПС
определяется участком износа.
Накопленная вероятность отказов компонента и его паяного соединения
равна сумме вероятностей отказа компонента и соединения. Следовательно, для
электронного модуля отказы за небольшой срок службы будут обусловлены,
скорее, отказами компонентов, а за долгий срок – отказами соединений.
Рассматривая взаимосвязь различных факторов, определяющих надёжность
компонентов и РЭС, целесообразно учитывать требования по совместности и
одновременности формирования всех видов контактов компонентов при их
монтаже на плату общим технологическим методом с применением единого
материала и общих критериев оценки пригодности контактов к применению вне
зависимости от степени использования элементов бессвинцовых технологий. При
этом, необходимо отметить, что в первую очередь влияние оказывают параметры
конструкции РЭС и радиоэлектронных компонентов.
- Размер компонента. Физический размер компонента определяет величину
деформации, которую испытывает паяное соединение в процессе температурного
расширения и взаимодействия компонента и коммутационной платы, на которую
51
он припаян. Компоненты большого размера более подвержены отказам.
- Тип соединения. Выбор типа соединения (выводное или безвыводное)
определяет максимальный уровень механического напряжения, которое
испытывает ПС в процессе циклических нагрузок. Выводные соединения
обеспечивают более высокие пределы надежности.
Размеры соединения. Высота паяного соединения определяет уровень
деформации, происходящий в соединении при данном смещении компонента
относительно подложки. Оно происходит вследствие наличия заполненного
припоем промежутка между металлизацией компонента или его выводом и
контактной площадкой подложки. Более высокие «колонны» припоя уменьшают
деформации в паяных соединениях и могут повысить надежность. Площадь
паяного соединения определяет уровень напряжений в нем, возникающих при
данном смещении компонента относительно подложки. Большие площади
соединения уменьшают напряжения и могут повышать надежность; однако,
диапазон такого возможного регулирования ограничен. Кроме геометрии паяемых
поверхностей, размер соединения определяется количеством вносимого в
соединение припоя. Существуют методики расчёта рациональных размеров
соединений [81].
- Коэффициент температурного расширения (КТР). Линейный КТР
выражает изменение линейных размеров материала при изменении его
температуры. Обычно компоненты и коммутационные платы состоят из
различных материалов с разными КТР. Несовпадение КТР (∆α) есть разница
между КТР двух материалов или соединенных вместе частей. В большинстве
случаев несовпадение КТР между компонентом и подложкой наиболее важно,
тогда как несовпадение КТР припоя и материала вывода, с которым он связан,
играет меньшую, но всё равно заметную роль. В некоторых конструкциях
(керамический компонент на керамической или кремниевой подложке) это
несовпадение КТР припоя и компонента приобретает первостепенное значение.
Большая разница КТР приводит к сильному снижению надежности. В случае
рассеяния компонентами значительной тепловой мощности, согласование КТР
элементов конструкции значительно усложняется.
- Циклический диапазон температуры. Циклический диапазон температуры
(∆Т) компонентов и основания коммутационной платы есть разница между
минимальным и максимальным значениями температуры в установившемся
состоянии, имеющим место в течение внешних изменений температуры либо ее
изменений вследствие функционирования (например, включения и выключения).
Следует учитывать, что диапазон температуры компонентов обычно не совпадает
с таковым для платы вследствие выделения мощности активными компонентами.
- Конформное покрытие. Конформное влагозащитное покрытие оказывает
52
разнонаправленное влияние на ресурс паяного соединения в процессе
эксплуатации и испытаний. С одной стороны, оно замедляет процесс абсорбции
влаги и кислорода на поверхности ПС, что может уменьшить образование
окислов на поверхности с трещинами и, тем самым, не будет ускорять
распространение трещин. С другой стороны, конформные покрытия могут
привнести в систему дополнительный материал с большим КТР, что может
отрицательно повлиять на надежность РЭС, особенно если покрытие затекает в
зазор под компонентами. В этой связи влияние влагозащитного покрытия должно
оцениваться в каждом отдельном случае.
- Состав припоя. Параметры ПС в значительной степени определяются
выбором состава припоя. Традиционный для отечественной практики и мировой
практики создания ответственной аппаратуры повышенной надёжности для
эксплуатации в жёстких условиях эвтектический припой системы Sn-Pb
достаточно хорошо изучен, технологические основы его применения (особенно
для штырьковых выводов компонентов) разработаны и проверены десятилетиями
эксплуатации различных РЭС. В случае замены припоя Sn-Pb на бессвинцовые
сплавы, мы вторгаемся в зону неизвестности и неопределённости. Механические,
химические, теплофизические параметры бессвинцовых припоев существенно
отличаются от параметров припоев, содержащих свинец.
- Материал паяемых поверхностей. На формируемые контакты
радиоэлектронных компонентов с коммутационными платами оказывает
существенное
влияние
материал
покрытия
контактной
площадки
коммутационной платы и покрытия вывода компонента. В процессе расплавления
припоя, взаимодействия его с флюсом и смачивания припоем паяемых
поверхностей наблюдается растворение материалов паяемых поверхностей в
припое, образование различных химических соединений (в том числе
интерметаллидов), диффузия и перемешивание жидких, твёрдых и газообразных
фаз с последующим затвердеванием при охлаждении. Свойства результирующей
композиции не совпадают с традиционными и могут отличаться весьма
существенно.
Наработанные
годами
методики
конструирования
радиоэлектронных компонентов, коммутационных плат и электронных модулей
при переходе на бессвинцовые материалы уже не являются безоговорочными и
могут не обеспечивать достижение заданной надёжности.
В зависимости от конкретного сочетания материала вывода компонента,
финишного покрытия контактной площадки коммутационной платы и состава
припоя в процессе формирования паяного соединения будет достигаться
различный результат, в неизвестной степени соответствующий стандартным
соединениям, полученным по традиционной свинцовой технологии.
53
Глава 3. Методология решения вопроса применимости бессвинцовых
технологий в современной высоконадёжной радиоэлектронной аппаратуре
В производстве современной отечественной РЭА широко представлены как
традиционные радиоэлектронные компоненты, содержащие свинец или
рассчитанные на монтаж с использованием свинецсодержащих материалов, так и
компоненты в бессвинцовом исполнении. У разработчиков и производителей
аппаратуры возникает масса вопросов по выбору конструкции и технологии
формирования контактов широкой номенклатуры ЭКБ. Перед ними стоит задача
обоснованного выбора таких решений, которые бы обеспечили эффективное
применение компонентов и надёжную эксплуатацию аэрокосмической
аппаратуры во всём спектре жёстких условий функционирования.
3.1. Алгоритм определения пригодности паяных контактов
радиоэлектронных компонентов, полученных с использованием элементов
бессвинцовых технологий, к применению в аэрокосмической аппаратуре
Алгоритм действий при исследовании широкой номенклатуры новых
вариантов контактов радиоэлектронных компонентов, получаемых с
использованием элементов бессвинцовых технологий, определяется, в первую
очередь, поставленной целью. Главной целью проводимых исследований является
определение
наиболее
надежных
конструкций
паяных
контактов
радиоэлектронных компонентов из большого числа возможных вариантов,
отличающихся геометрическими размерами и различными комбинациями
применяемых материалов (таких, как покрытия выводов компонентов,
используемых припоев и финишных покрытий контактных площадок плат), в
условиях использования элементов бессвинцовых технологий.
Кроме того, необходимо выработать рекомендации:
- по сферам применения (военное, гражданское или двойное)
- по технологии автоматизированного поверхностного монтажа, в т.ч. по
типам применяемых припоев и покрытий выводов ЭКБ и КП плат.
Для того, что бы дать положительное заключение о возможности
применения отдельных элементов бессвинцовых технологий для формирования
паяных контактов радиоэлектронных компонентов в реальной РЭА, предлагается
последовательность шагов по решению задачи обеспечения совместимости
конкретных элементов бессвинцовых технологий с традиционными технологиями
создания РЭА.
Алгоритм решения поставленной задачи представлен на Рисунке 3.1.
54
Рисунок 3.1. Алгоритм отбора бессвинцовых технологий формирования паяных
контактов радиоэлектронных компонентов, пригодных для аппаратуры,
эксплуатируемой в жёстких условиях
На первом этапе, на основе анализа схемотехнических решений и
55
конструкторской документации разрабатываемой РЭА, необходимо выявить всё
потенциальное многообразие материалов, которое может быть представлено при
сборке конкретного электронного модуля. Как показала практика, необходимо
учитывать следующие материалы:
- материалы покрытия выводов компонентов (Sn100, Sn97Bi3,0, Sn98Cu2,0,
PdAg, SnBi, SnAgCu, NiAu, NiPd, Sn80Pb20 и др.) и материалы шариковых
выводов компонентов типа BGA (Sn96,5Ag3Cu0,5-balls, Sn63Pb37-balls и др.);
- материалы финишного покрытия контактных площадок коммутационных
плат (горячий ПОС61, гальванический никель-золото, иммерсионное золото по
химическому никелю (ENIG), иммерсионное серебро (IMAG), иммерсионное
олово (IMSN), химическое или гальваническое олово-висмут и др.);
- материалы, содержащиеся в припойной пасте для пайки компонентов, в
том числе припойные сплавы (Sn61Pb39, Sn63Pb37, Sn62Ag2Pb36, Sn58Ag3Pb39,
Sn58Bi42 и др.).
Состав флюса, содержащегося в пасте, при правильной технологии пайки и
отмывки в меньшей степени отражается на эксплуатационной надёжности ПС и
изделия в целом, однако, может оказать существенное значение на этапе
отработки технологии.
При проработке конкретного изделия на предварительном этапе может
оказаться, что в пределах одного электронного модуля будет встречаться большое
число вариантов сочетания различных материалов при формировании соседних
ПС. Соответственно, чем больше число переменных при решении общей задачи,
тем задача сложнее и требует больших ресурсов для решения. Например, при
разработке базовой технологии автоматизированного монтажа компонентов
электронных модулей с применением бессвинцовой и комбинированной пайки,
выполненной в ОАО "Авангард" (Санкт-Петербург) в рамках Федеральной
целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и
радиоэлектроники» на 2008-2015 годы, на первоначальном этапе рассматривалось
168 вариантов ПС. В это число входили как чисто бессвинцовые ПС для бытовой
и промышленной аппаратуры, так и соединения, содержащие свинец,
выполненные по традиционной технологии и технологии комбинированной
пайки.
При решении более узкой задачи для ЭМ конкретной аппаратуры, число
вариантов ПС может быть минимизировано и составлять 3-8 вариантов. Однако,
при решении более общей, отраслевой задачи, количество возможных сочетаний
материалов, даже после минимизации, составило более сотни.
Ключевым моментом в алгоритме решения поставленной задачи является
разработка методики испытаний образцов продукции для получения
обоснованных данных для принятия решения о применении тех или иных
56
элементов бессвинцовых технологий в конкретном случае. Иногда можно
обойтись типовыми испытаниями и это обычно не вызывает затруднений.
Противоположностью такого простого случая является комплексная проблема
формирования контактов радиоэлектронных компонентов повышенной
надёжности и широкой номенклатуры с применением бессвинцовых и
свинецсодержащих материалов. В данном случае требуется особая программа
сравнительных ускоренных испытаний и своя методология оценки результатов
испытаний.
Особого внимания требует разработка образцов изделий (электронных
модулей) для проведения испытаний. Если объектом испытаний является набор
ПС, сформированный тем или иным способом, то необходимо предусмотреть
достаточное (с точки зрения статистической достоверности полученных
результатов) количество однотипных ПС и возможность постоянного контроля
ПС в процессе, до и после испытаний.
На наш взгляд, целесообразно использовать имитаторы компонентов,
которые полностью повторяют конструктивные особенности реальных ИЭТ
(геометрия и материал корпуса, выводов и покрытия выводов), но не содержат
функционального элемента (например, микросхемы), а имеют попарно замкнутые
внутри выводы, что обеспечивает возможность соединения их в длинные цепочки
с достаточным числом ПС. Проведение испытаний на имитаторах ИЭТ позволяет
не только минимизировать затраты на испытания, но и выявить параметры ПС без
влияния собственно функциональных элементов, тем самым максимально
получить информацию о технологии формирования ПС и конструктивных
особенностях ПС (геометрия, соотношение размеров, финишный состав припоя) и
влиянии их на надёжность аппаратуры.
До изготовления образцов продукции для проведения испытаний
необходимо провести разработку и оптимизацию технологии формирования
конкретного набора ПС. Образцы для испытаний должны изготавливаться на том
же оборудовании, что и серийная продукция, режимы работы оборудования
должны обеспечивать получение годных ПС по всем установленным параметрам.
Изготовленные образцы до испытаний должны пройти необходимую
подготовку, в том числе первичную приработку для исключения отказов,
вызванных возможными технологическими отклонениями.
Должна быть обеспечена возможность непрерывного контроля
электрической целостности ПС в процессе всех испытаний, так как, в
большинстве случаев, отсутствует возможность визуального определения отказа
ПС, особенно для многовыводных ИЭТ типа BGA и подобных. Для этих целей
целесообразно использовать автоматические регистраторы отказов ПС, которые
постоянно контролируют сопротивление контрольных цепей, регистрируют
57
недопустимые изменения и формируют соответствующий протокол.
Для сравнительных испытаний широкой номенклатуры паяных
соединений на надежность целесообразной представляется стратегия
испытаний, позволяющая при испытаниях однотипных образцов типовых
пердставителей ЭМ (ТПЭМ) стимулировать ускоренное образование отказов
паяных соединений под воздействием различных форсированных механизмов
повреждения и разрушения паек.
С целью получения необходимого объёма результатов, необходимо в
максимальной степени учесть существующее многообразие конструктивнотехнологического исполнения радиоэлектронных компонентов в сочетании с
различным назначением создаваемой аппаратуры, в том числе и для
эксплуатации в жёстких условиях внешних воздействий.
В процессе разработки специальных тестовых ТПЭМ представилось
возможным распределить всё многообразие испытуемых ПС на 10
наименованиях модулей.
Конструктивно-технологические особенности модулей и их возможные
области применения представлены в Таблице 2.1.
Таблица 2.1.
Характеристика образцов типовых представителей электронных модулей для испытания
паяных контактов радиоэлектронных компонентов
Припой,
Наимеиспользуемый
Компоненты,
Возможные
нование
при пайке контактов.
используемые
области
модуля
Технология
при монтаже
применения
монтажа
- SMD Pb-Free
SАС305
потребительская
- SMD с SnPbТПЭМ1
Бессвинцовая
электроника в экспортном
покрытием
технология монтажа
исполнении
выводов.
Bi58Sn42
потребительская
ТПЭМ2
Бессвинцовая
- SMD Pb-Free
электроника в экспортном
технология монтажа
исполнении
ТПЭМ3
ПОС-61
Комбинированная
технология монтажа
- SMD Pb-Free
- SMD с SnPbпокрытием
выводов
- THD Pb-Free
- THD с SnPbпокрытием
58
потребительская и
профессиональная
электроника в экспортном
исполнении
Наименование
модуля
Припой,
используемый
при пайке контактов.
Технология
монтажа
Компоненты,
используемые
при монтаже
Возможные
области
применения
выводов
ТПЭМ4
ТПЭМ5
ТПЭМ6
Sn63Pb37 и
припой ПОС-61
Комбинированная
технология монтажа
Sn96.5Ag3.0Cu0.5 и
припой SАС305
Бессвинцовая
технология монтажа
Припойная паста на
основе припоя ПОС-61
и припой ПОС-61
Комбинированная
технология монтажа
- SMD Pb-Free
- SMD с SnPbпокрытием
выводов
- THD Pb-Free
- THD с SnPbпокрытием
выводов
- SMD Pb-Free
- THD Pb-Free
- SMD Pb-Free
- SMD с SnPbпокрытием
выводов
- THD Pb-Free
- THD с SnPbпокрытием
выводов
59
- потребительская и
профессиональная
электроника для
внутреннего потребления;
-ответственная
электроника гражданского
назначения;
- военная и специальная
техника
потребительская и
профессиональная
электроника в экспортном
исполнении
- ответственная силовая
электроника гражданского
назначения;
- военная и специальная
техника
Припой,
используемый
при пайке контактов.
Технология
монтажа
Компоненты,
используемые
при монтаже
Возможные
области
применения
ТПЭМ7
Припойная паста на
основе припоя
Sn62Pb36Ag2 и припой
ПОС-61
Комбинированная
технология монтажа
- SMD Pb-Free
- SMD с SnPbпокрытием
выводов
- THD Pb-Free
- THD с SnPbпокрытием
выводов
- потребительская и
профессиональная
электроника для
внутреннего потребления;
- ответственная
электроника гражданского
назначения;
- военная и специальная
техника
ТПЭМ8
Sn95,5Ag3,8Cu0,7 и
припой SАС305
Бессвинцовая
технология монтажа
- SMD Pb-Free
- SMD с SnPbпокрытием
выводов
- THD Pb-Free
потребительская и
профессиональная
электроника в экспортном
исполнении
Наименование
модуля
ТПЭМ9
ТПЭМ10
Припойная паста на
основе припоя
Sn95,5Ag3,8Cu0,7
Бессвинцовая
технология монтажа
Припойная паста на
основе припоя
Sn62Pb36Ag2
Комбинированная
технология монтажа
- SMD Pb-Free
- SMD Pb-Free
- SMD с SnPbпокрытием
выводов
потребительская и
профессиональная
электроника в экспортном
исполнении
- ответственная
электроника гражданского
назначения;
- военная и специальная
техника
Алгоритм организации ускоренных сравнительных испытаний контактов
радиоэлектронных
компонентов,
выполненных
с
использованием
бессвинцовых и свинецсодержащих материалов, представлен на Рисунке 3.2
[88].
Предназначенные для испытаний образцы типовых представителей ЭМ,
изготовленные по разработанным базовым технологиям, разделяются на 3
группы:
- 1-я группа состоит из 40 образцов типовых представителей ЭМ,
включающих в себя по 4 однотипных ЭМ каждого из 10-ти наименований
разработанных и изготовленных образцов ТПЭМ. Эта группа образцов
60
предназначена для сравнительных испытаний на надежность с высоким
коэффициентом ускорения.
- 2-я группа состоит также из 40 образцов ТПЭМ, включающих в себя по 4
однотипных ЭМ каждого из 10-ти наименований ТПЭМ. Эта группа образцов
предназначена для сравнительных испытаний на надежность
с низким
коэффициентом ускорения.
- 3-я группа состоит из 20 образцов ТПЭМ, включающих в себя по 2
однотипных ЭМ каждого из 10-ти наименований ТПЭМ. 3-я группа образцов
типовых представителей ЭМ является контрольной. По результатам испытаний 3й группы с учетом результатов испытаний 1-й и 2-й групп образцов ТПЭМ
предполагается возможность оценки коэффициентов ускорения форсированных
испытаний.
Производство тестовых образцов
Проведение
приработки
Быстрые
воздействия
40 ТП
Медленные
воздействия
40 ТП
Контрольная партия
20 ТП
ФМЕА- анализ с разделением на группы отказов, типы
комбинаций и виды отказов
Рисунок 3.2. Алгоритм организации ускоренных сравнительных испытаний
контактов радиоэлектронных компонентов
3.2. Специфика применяемых средств испытаний паяных контактов
радиоэлектронных компонентов
Отказ паяного соединения определяется как полное разрушение сечения
соединения, при котором части паяного соединения не имеют сцепления друг с
другом. Паяное соединение, отказавшее таким образом, обычно может не
является разрывом электрической цепи или даже может не приводить к
значительному увеличению сопротивления, так как другие, бездефектные, паяные
соединения многовыводного компонента удерживают части отказавшего паяного
соединения в механическом соприкосновении. Отказ соединения проявляет себя
электрически только в процессе термических или механических переходных
61
процессов или воздействий в виде кратковременного (~1 мкс) всплеска высокого
сопротивления (≥300 Ом). Таким образом, практическое определение отказа
состоит в фиксации временного изменения электрической проводимости (≥ 300
Ом) на время большее 1 мкс.
Для проведения ускоренных испытаний на надежность используются
следующий критерий отказа - отказ определяется как первое прерывание
электрической проводимости, которое подтверждается 9 дополнительными
прерываниями в течение последующих циклов.
Обнаружение отказов следует проводить путем постоянного мониторинга
последовательно соединенных тестовых цепей таким образом, что:
- для любой цепи в течение любого интервала измерения длительностью 2
сек или менее может быть зафиксировано, по меньшей мере, одно прерывание
длительностью 1 мкс и более;
- на протяжении цикла испытаний могут быть зафиксированы, по меньшей
мере, 10 таких прерываний для подтверждения первого обнаружения отказа;
- контрольный ток не должен превышать 2 мА при напряжении не более 10
В;
- электрическое прерывание регистрируется в случае, если сопротивление
контрольной цепи достигает 300 Ом и более.
В качестве измерителя целостности тестовых цепей используется
разработанная в ОАО «Авангард» многоканальная автоматизированная система
постоянного мониторинга и регистрации прерываний проводимости
последовательных цепей испытуемых паяных контактов радиоэлектронных
компонентов в составе образцов типовых представителей ЭМ в процессе их
ускоренных испытаний на надежность [88].
Созданный автоматизированный 64-канальный стенд регистрации отказов
тестовых цепей АСР, соединяющийся через СОМ-порт с ЭВМ, полностью
обеспечивает выполнение выше изложенных требований. Внешний вид
регистратора и его основные узлы показаны на Рисунках 3.3. и 3.4
соответственно.
62
Рисунок 3.3. Автоматизированный стенд регистрации отказов тестовых цепей (АСР)
Структурная схема АСР приведена на Рисунке 3.5.
АСР содержит:
- разъемы X1 и X2 для подключения тестовых цепей;
- 4 платы аналоговых модулей;
- цифровой модуль с регистрами данных и регистрами индикации;
- внутреннюю микро-ЭВМ для формирования управляющих сигналов и
синхронизации приема - передачи данных с ЭВМ.
Рисунок 3.4. Внутреннее расположение печатных узлов и элементов в АСР
63
Рисунок 3.5. Структурная схема АСР, здесь: АМ - аналоговый модуль, ЦМ - цифровой
модуль, ПП – программа приёма-передачи информации
Программное обеспечение АСР разрабатывалось для автоматической
фиксации отказов паяных соединений в тестовых цепях во время проведения
испытаний. Программа при регистрации отказов в тестовых цепях испытуемых
ЭМ записывает в память ЭВМ информацию в виде 64 разрядного двоичного кода,
где порядковый номер каждого разряда соответствует порядковому номеру
входной цепи АСР. Высокий логический уровень («1») такого разряда
характеризирует отказ тестовой цепи ЭМ. Отказ тестовой цепи фиксируется при
наличии в ней в течение десяти опросов подряд сопротивления более 300 Ом.
Одновременно с фиксации наличия отказа программа АСР фиксирует время
отказа тестовой цепи, выполняя согласование его с системным временем ЭВМ.
В целях обеспечения электрических связей типовых представителей ЭМ с
АСР на типовых представителях ЭМ установлены разъемы, а ответная часть
разъемов расположена на корпусе блочного каркаса (в котором размещаются
испытываемые изделия) с тыльной стороны на направляющих рельсах (Рисунок
3.6).
Прочие средства испытаний, такие как вибростенды, ударные стенды,
термокамеры и др. не отличаются от обычных, применяемых при испытаниях
реальных ЭМ.
64
Рисунок 3.6. Испытательная оснастка на 20 типовых представителей ЭМ
с подключенными двумя АСР
3.3. Методика проведения ускоренных испытаний
паяных контактов радиоэлектронных компонентов
В соответствии с выбранным алгоритмом ускоренных сравнительных
испытаний контактов радиоэлектронных компонентов, для каждой группы
образцов типовых представителей ЭМ определены воздействия, позволяющие
при испытаниях стимулировать образование отказов паяных контактов под
воздействием различных форсированных механизмов повреждения и разрушения
паек.
1-я группа образцов типовых представителей ЭМ в процессе сравнительных
испытаний с высоким коэффициентом ускорения подвергается следующим
воздействиям:
- воздействие синусоидальной вибрации;
- тепловые удары;
- механические удары многократного действия.
2-я группа образцов типовых представителей ЭМ в процессе сравнительных
испытаний с низким коэффициентом ускорения подвергается воздействию
медленных термических циклов.
3-я группа образцов типовых представителей ЭМ испытывается на
функционирование без циклических нагрузок в нормальных климатических
условиях при температуре (20±5)ºС и при предельной повышенной температуре
65
85ºС.
Основное отличие 1-ой и 2-ой групп заключается в механизме нагрузки.
Тепловой удар вызывает многоосные напряжения, среди которых преобладают
растяжения. Быстрые воздействия проявляют пониженную адгезию на границе
раздела слоистых структур и недостаточную когезию в объёме элементов
конструкции. Медленные воздействия вскрывают недостаточную устойчивость к
многократным знакопеременным нагрузкам, вызывающим постепенное
накопление дефектов.
Условия для теплового удара могут возникнуть при воздействии нескольких
факторов, таких как:
1.
Быстрая смена условий окружающей среды, например переход с
солнечной стороны на теневую в космическом пространстве.
2.
Резкие и большие изменения потребляемой мощности.
3.
Различные производственные или ремонтные процессы, например,
паровое обезжиривание, ремонт и т.п.
Для испытания на термоудар необходимо наличие двух термокамер, тогда
как для термоциклирования достаточно одной. Сочетание двух камер позволяет
получать скорости изменения температур свыше 30°С/мин.
Результаты этих двух видов испытаний позволяют получить
взаимодополняющую информацию об устойчивости испытуемых изделий к
жёстким условиям эксплуатации.
Выбор уровней жесткости воздействий для всех групп образцов типовых
представителей ЭМ проводится в соответствии с требованиями ГОСТ серии
«Мороз-6» на аппаратуру, приборы, устройства и оборудование военного
назначения при условии, что эти воздействия не приводят к необратимым физикохимическим изменениям в конструкционных материалах модулей.
Параметром-критерием годности является целостность последовательных
тестовых электрических цепей, состоящих из 100 и более испытываемых
бессвинцовых или комбинированных паяных соединений одного типа,
проводников ПП, внутренних проводников имитаторов ЭКБ, 4-х разъемных
соединений и 2-х проводов жгута, соединяющих тестовую цепь с
регистрирующей аппаратурой.
Причины нарушения целостности электрической цепи являются предметом
тщательного анализа с целью идентификации именно отказов паяных соединений.
В соответствии с ГОСТ [66] выбран план испытаний NUT (N - число
паяных соединений одного типа, U – отказавший объект испытаний (контакт) не
восстанавливается, T- время испытаний).
Не смотря на то, что отказавшее паяное соединение не восстанавливается,
производиться восстановление целостности последовательной тестовой
66
электрической цепи методом впаивания в цепь короткой проволочной перемычки,
шунтирующей дефектный участок тестовой цепи.
В соответствии с ГОСТ РВ 20.57.416 (Таблица 1) выбраны виды испытаний
и их последовательность.
В качестве рекомендательной базы для выбора ускоряющих внешних
воздействующих факторов и проведения форсированных испытаний
использованы:
- РД 107. 460082 «Методы ускоренных испытаний»;
- стандарты из серии ОСТ 11;
- ГОСТ РВ 20.39.304-98 «КС ОТТ. Аппаратура, приборы, устройства и
оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним
воздействующим факторам»;
- ГОСТ РВ 20.57.416-98
«КСКК. ИЭТ, квантовой электроники и
электротехнические военного назначения. Методы испытаний»;
- американские стандарты IPC-9701A-2006 «Методы испытаний для
определения характеристик паяных соединений поверхностного монтажа и
требования к проведению испытаний» и IPC-SM-785 «Руководство по
ускоренным испытаниям на надежность паяных соединений поверхностного
монтажа».
Объем ускоренных сравнительных испытаний типовых представителей ЭМ
приведен в Таблице 3.2.
Таблица 3.2.
Объём испытаний ТПЭМ
№
Наименование видов
п.п.
испытаний
Проведение
1
сравнительных
испытаний
образцов
типовых представителей
ЭМ
с
высоким
коэффициентом
ускорения на стойкость к
воздействию
внешних
воздействующих
факторов:
1.1 - синусоидальной
вибрации в диапазоне
частот 1-2000 Гц с
Количество
Контролируемые
образцов, шт.
параметры
40
образцов
типовых
представителей
ЭМ 1-й группы
20
образцов - фиксация
типовых
прерывания
представителей контрольной цепи
67
Методика
ГОСТ
РВ20.57.
416-98
№
п.п.
1.2
1.3
Наименование видов
Количество
испытаний
образцов, шт.
амплитудой ускорения
ЭМ 1-й группы
30g в течение 48 часов
суммарно по 3-м
направле-ниям
(измерение параметровкритериев годности
после воздействия по
каждому из направлений,
т.е. трижды)
- механического удара
многократного действия
в с пиковым ускорением
150g и длительностью
действующего ударного
ускорения 3 мс в
количестве 18000 ударов
суммарно по 3-м
направлениям
(измерение параметровкритериев годности
после воздействия по
каждому из направлений,
т.е. трижды)
- быстрого изменения
температуры
окружающей среды
(термического удара) от
минус 65ºС до плюс
125ºС с выдержкой при
каждой температуре в
течение 1 часа, всего 60
циклов (измерение
параметров-критериев
годности после 5, 15, 45
и 60 циклов)
Те же 20 образцов типовых
представителей
ЭМ 1-й группы
Другие 20
образцов
типовых
представителей
ЭМ 1-й группы
68
Контролируемые
параметры
(Rконтр.ц=)
- фиксация
мгновенного
увеличения
сопротивление
контрольной
цепи
Rконтр.ц≥300 Ом
- сопротивление
контрольной
цепи Rконтр.ц
- фиксация
прерывания
контрольной цепи
(Rконтр.ц=)
- фиксация
мгновенного
увеличения
сопротивление
контрольной
цепи
Rконтр.ц≥300 Ом
- сопротивление
контрольной
цепи Rконтр.ц
- фиксация
прерывания
контрольной цепи
(Rконтр.ц=)
- фиксация
мгновенного
увеличения
сопротивление
контрольной
цепи
Rконтр.ц≥300 Ом
- сопротивление
контрольной
цепи Rконтр.ц
Методика
Метод 103-1
ГОСТ
РВ20.57.
416-98
Метод 104-1
ГОСТ
РВ20.57.
416-98
Метод 105-1
№
Наименование видов
п.п.
испытаний
Проведение
2
сравнительных
испытаний
образцов
типовых представителей
ЭМ
с
низким
коэффициентом
ускорения на стойкость к
воздействию медленного
изменения температуры
окружающей
среды
(термоциклирования) от
минус 65ºС до плюс
125ºС с выдержкой при
каждой температуре в
течение 15 минут, всего
6000 (500 + 5500) циклов
(измерение параметровкритериев
годности
постоянно в течение
всего
времени
испытаний)
Проведение
3
сравнительных
испытаний контрольной
партии образцов типовых
представителей ЭМ на
функционирование без
циклических
нагрузок
при
предельной
повышенной температуре
85ºС в течение 1500
часов
(измерение
параметров-критериев
годности постоянно в
течение всего времени
испытаний)
Количество
образцов, шт.
40
образцов
типовых
представителей
ЭМ 2-й группы
Контролируемые
Методика
параметры
- фиксация
IPC-9701Aпрерывания
2006
контрольной цепи
(Rконтр.ц=)
- фиксация
мгновенного
увеличения
сопротивление
контрольной
цепи
Rконтр.ц≥300 Ом
- сопротивление
контрольной
цепи Rконтр.ц
20
образцов
типовых
представителей
ЭМ 3-й группы
- фиксация
прерывания
контрольной цепи
(Rконтр.ц=)
- фиксация
мгновенного
увеличения
сопротивление
контрольной
цепи Rконтр.ц≥300
Ом
- сопротивление
контрольной цепи
Rконтр.ц
ГОСТ
РВ20.57.
416-98
3.4. Определение состава образцов для проведения испытаний паяных
контактов радиоэлектронных компонентов
Состав образцов, предназначенных для проведения испытаний,
определяется исходя из целей испытаний. Основной целью сравнительных
69
ускоренных испытаний паяных контактов радиоэлектронных компонентов на
надежность являлось:
- определение возможности применения свинецсодержащих материалов для
формирования паяных контактов радиоэлектронных компонентов, первоначально
предназначенных для бессвинцового монтажа;
- выявление наиболее надежных конструкций паяных контактов из
большого числа вариантов, отличающихся геометрическими размерами и
различными комбинациями применяемых материалов, в том числе покрытий
выводов компонентов, типов припоя и финишных покрытий контактных
площадок печатных плат.
Кроме того, преследовалась цель проверки базовых технологий
автоматизированного монтажа ЭКБ на образцах типовых представителей
электронных модулей (ТПЭМ), имеющих различные типы контактов, и
выявление технологических, конструкторских и эксплуатационных особенностей,
их анализ и выработка рекомендаций.
3.4.1. Требования к номенклатуре образцов для испытаний
В состав образцов для испытаний должны входить ТПЭМ поверхностного и
смешанного монтажа, отличающиеся различными вариантами одностороннего и
двухстороннего размещения ЭКБ широкой номенклатуры на ПП, в том числе с
использованием ЭКБ со штырьковыми выводами для монтажа в отверстия ПП в
комбинации с поверхностно-монтируемыми компонентами.
С целью максимального учёта существующего многообразия конструкций
реальных электронных модулей, в состав разрабатываемых образцов ТПЭМ
должны входить следующие типовые конструкции ЭМ [88]:
- ЭМ простого поверхностного монтажа в составе ПП, на которой с одной
стороны установлены и запаяны на контактных площадках платы только
поверхностно-монтируемые электронные компоненты;
- ЭМ совмещенного смешанного монтажа в составе ПП, на которой с одной
стороны установлены электронные компоненты штырьковыми выводами в
металлизированные отверстия ПП, с другой стороны платы установлены
поверхностно-монтируемые электронные компоненты и запаяны выводы всех
установленных на ЭМ компонентов;
- ЭМ разнесённого смешанного монтажа в составе ПП, на которой с одной
стороны установлены и запаяны на контактных площадках платы поверхностномонтируемые электронные компоненты и установлены электронные компоненты
штырьковыми выводами в металлизированные отверстия ПП, выводы которых
запаяны с другой стороны платы;
70
- ЭМ сложного смешанного монтажа в составе ПП, на которой с обеих
сторон установлены и запаяны на контактных площадках платы поверхностномонтируемые электронные компоненты, а также с одной из сторон установлены
электронные компоненты
штырьковыми выводами в металлизированные
отверстия ПП, выводы которых запаяны с другой стороны платы;
- ЭМ двухстороннего поверхностного монтажа в составе ПП, на которой с
обеих сторон установлены и запаяны на контактных площадках платы только
поверхностно-монтируемые компоненты.
В составе испытуемых образцов ТПЭМ должны быть описанные выше
типовые конструкции ЭМ, смонтированные с использованием как бессвинцового,
так и оловянно-свинцового припоев.
3.4.2. Требования к печатным платам образцов для испытаний
Важной характеристикой при выборе диэлектрика ПП являлось значение
его коэффициента теплового линейного расширения, так как любая разница в
коэффициенте теплового расширения между компонентом и материалом ПП
означает, что при нагреве или охлаждении в процессе климатических
воздействий, как компонент, так и ПП будут изменять свой размер в разной
степени. Если эта разница достаточно велика, действующие напряжения могут
приводить к образованию трещин в паяных соединениях и отказу паяного
соединения и электронного модуля.
Так же следует отметить, что для бессвинцовой пайки необходимо
использовать материал диэлектрика с высокой температурой стеклования.
Руководствуясь этими соображениями, основным материалом диэлектрика
ПП был выбран широко распространённый стеклотекстолит FR-4 с различной
температурой стеклования и отечественный стеклотекстолит теплостойкий
негорючий фольгированный СТНФ-2-35. Кроме того, выбраны отечественный
фольгированный фторопласт типа ФАФ-4Д, применяющийся в СВЧ-устройствах,
и фольгированный полиимид.
В современных электронных изделиях находят применение разнообразные
финишные покрытия ПП, различающиеся своими свойствами. На сегодняшний
день не найдено то из них, которое бы полностью удовлетворило нужды
производителей в любых условиях применения. Выбор конкретного покрытия
определяется назначением проектируемой ПП, предполагаемой технологией
монтажа ЭМ и условиями эксплуатации. При определении применяемых
покрытий контактных площадок ПП учитывались следующие требования:
- финишные покрытия должны обеспечивать хорошую паяемость и
смачиваемость и быть способными сохранить их после воздействия различных
71
сред, способствующих старению;
- покрытия должны быть совместимыми с профилем пайки, паяльными
пастами и другими применяемыми материалами (в большинстве случаев, должны
позволять использовать профиль пайки с максимальной температурой 230-245°С);
- быть совместимыми с запрессовываемыми разъемами и разъемами с
высокой плотностью межсоединений;
- обеспечивать повторяемость производства;
- быть экономически эффективными.
Исходя
из
изложенного,
использованы
следующие
наиболее
распространенные и хорошо зарекомендовавшие себя в настоящее время на
операциях сборки электронных изделий финишные покрытия контактных
площадок ПП:
1. OSP (Organic Solderability Preservative) органическое защитное покрытие,
или OSP по Cu. Данное выбрано в качестве альтернативного покрытия по
отношению к металлическим и обладающее минимальной стоимостью.
2. HASL Pb free. (Hot Air Solder Leveling) – бессвинцовое покрытие,
полученное в процессе облуживания бессвинцовым припоем с выравниванием
воздушным ножом.
3. HASL (Hot Air Solder Leveling) – покрытие, полученное в процессе
облуживания оловянно-свинцовым припоем с выравниванием воздушным ножом,
например HASL Sn61Pb39. Данный вид покрытия преобладает в электронной
промышленности благодаря отличным характеристикам паяемости сплава оловосвинец.
4.
ENIG
(Electroless
Nickel/Immersion
Gold,)
–
химический
никель/иммерсионное золото. Покрытие ENIG представляет собой тонкую (~ 0,05
– 0,2 мкм) золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля (~ 4 – 5 мкм).
Золото хорошо растворяется в припое, не подвержено быстрому потускнению и
окислению, поэтому представляется подходящим выбором в качестве финишного
покрытия.
5. IMSN – иммерсионное олово. Популярность данного финишного
покрытия контактных площадок ПП растет за счет обеспечения хорошей
смачиваемости и простоты процесса осаждения.
6. IMAG – иммерсионное серебро. Данное финишное покрытие (также как
ENIG и IMSN) подходит для установки компонентов с малым шагом выводов.
Толщина IMAG не превышает 0,2 мкм, поэтому расходы на реализацию этого
покрытия незначительны.
7. Химическое олово. Причиной выбора данного финишного покрытия
контактных площадок ПП стала хорошая паяемость.
72
3.4.3. Выбор имитаторов радиоэлектронных компонентов
В составе разрабатываемых образцов ТПЭМ должны быть применены
имитаторы ЭКБ широкой номенклатуры корпусов, имеющие покрытия выводов,
интересующие нас для проведения испытаний. Применение имитаторов вместо
реальных компонентов, выполняющих какую-либо электронную функцию,
является в данном случае принципиальным требованием, так как позволяет при
испытаниях паяных контактов абстрагироваться от отказов собственно
радиоэлектронной «начинки» компонента. Имитатор во всём (кроме
радиоэлектронной функции) повторяет параметры реального компонента. С
целью обеспечения контроля качества формируемых контактов, выводы
имитаторов интегральных схем внутри корпуса имеют проводники, попарно
замыкающие внешние выводы, как показано на Рисунке 3.7., и позволяющие
создавать контрольные электрические цепи.
Учитывая необходимость использования для испытаний выводы
компонентов, полностью соответствующие реальным изделиям, поставляемым на
рынок, принято решение о применении импортных имитаторов ЭКБ фирмы Top
Line Dummy Components (США). Имитаторы компонентов этой фирмы
поставляются по заказу с любым стандартным покрытием выводов: чистое олово
Sn100, олово-висмут Sn97Bi3, олово-медь Sn98Cu2, никель-палладий NiPd,
никель-золото NiAu, олово-свинец SnPb, а также корпуса BGA c бессвинцовыми
(SAC305) и оловянно-свинцовыми (Sn63) шариковыми выводами.
73
Рисунок 3.7. Конфигурация проводников на имитаторе BGA компонента
и получаемая контрольная цепь (по данным фирмы Top Line)
Для проектирования ТПЭМ выбраны имитаторы ЭКБ широкой
номенклатуры, наиболее часто применяемой в настоящее время при создании
реальной аппаратуры, в том числе:
- безвыводные чип-резисторы различных типоразмеров, имеющие нулевое
сопротивление;
- имитаторы диодов в корпусе SOD80 и транзисторов в корпусе SOT с
внутренним соединением выводов;
- имитаторы ИС в пластиковых корпусах типа DIP, SO, HSOP, TSSOP,
TSOP с двухсторонним расположением гибких выводов, попарно электрически
соединенных между собой;
- имитаторы БИС в пластиковых корпусах типа QFP, LQFP, TQFP, HQFP с
четырехсторонним расположением гибких выводов, попарно электрически
соединенных между собой;
74
- имитаторы БИС в пластиковых корпусах типа BGA с матричным
расположение шариковых выводов, попарно электрически соединенных между
собой;
- имитатор БИС в пластиковом корпусе типа QFN с четырехсторонним
расположением по периметру под корпусом жестких выводов, попарно
электрически соединенных между собой.
Полный перечень компонентов (имитаторов) представлен в Таблице 3.3.
Таблица 3.3.
Перечень компонентов для проектирования образцов для испытаний
Покрытие
ГабаритШаг
Наименование
№
(материал)
ные
между
компонентов по каталогу
п.п.
выводов
размеры
выводами,
TopLine
компонентов корпуса, мм
мм
1
SR01005P4A-ZERO-TIN
Sn
0,4х0,2
2
SR0201P7A-ZERO-TIN
Sn
0,6х0,3
3
SS0201P-GOLD
Au
0,6х0,3
4
SR0402P7A-ZERO-TIN
Sn
1,0х0,5
5
SR0603P7A- ZERO-OHM
SnPb
1,6х0,8
6
SR0603P7A-ZERO-TIN
Sn
1,6х0,8
7
SR0805P7A-ZERO-TIN
Sn
2.0х1,2
8
SR1206 P7A-ZERO-TIN
Sn
3,2х1,6
9
SOT23E7A-TIN-DC123
Sn
2,9х1,3
10 SOD80E7A-TIN-DC12
Sn
1,5х3,6
11 DIP16M3F-DE
NiPd
6х18
2,54
12 DIP8M3-TIN-DE
Sn
6х9
2,54
13 SO8E7A-TIN-DE-D
Sn
3х5
1,27
14 HSOP20M-F-DE
NiPd
11х15,9
0,8
15 TSSOP28M25B-DE-D
SnBi
8х13,4
0,65
16 TSOP48T19.7B-T1-DE-D
SnBi
12х20
0,5
17 TQFP44T30B-DE-D
SnBi
10х12
0,8
18 QFP100T25T-3.2-DE-D
Sn
14х20
0,65
19 QFP100T25-3.2-DE-D
SnPb
14х20
0,65
20 TQFP128T15.7C-DE
SnCu
14х14
0,4
21 LQFP120T15.7T-DE-D
Sn
14х14
0,4
22 BGA46T.75C-DC24D
SAC305
7х8
0,75
23 BGA46T.75-DC24D
SnPb
7х8
0,75
24 BGA208T1.27C-DC170D
SAC305
23х23
1,27
75
25
26
27
28
29
30
BGA169T1.5C-DC10D
QFN40T.5-G-DE-D
D2PAK-E-T-DC123D
TO220M3-TIN- DC123D
LQFP144T19.7В-DE-D
НQFP48/64Т.8F-DE
SAC405
NiAu
Sn
Sn
SnBi
NiPd
23х23
6х6
7х10
10х15
20х20
12х12
1,5
0,5
0,5
0,8
3.4.4. Выбор припойных паст для монтажа компонентов
Основными критерии при выборе припойной пасты - это совместимость с
требованиями по технологии монтажа компонентов, температура плавления,
вязкость, способность к смачиванию паяемых поверхностей и ряд других
требований.
В результате предварительных исследовательских испытаний ряда
распространённых и рекомендуемых производителями ЭКБ материалов были
выбраны пасты иностранных фирм Multicore, Alpha Metals и AIM, а так же пасты
отечественного производства предприятий ОАО «Авангард» (Санкт-Петербург) и
НПФ «Динамика» (Ярославль).
3.4.5. Варианты контактов, подвергаемых испытаниям
Учитывая принятые к реализации для испытаний варианты материалов
выводов, контактных площадок плат и припоев, сформирован перечень контактов
для проведения сравнительных ускоренных испытаний. Всего принято к
изготовлению и испытанию 131 вариант контактов, информация о которых
представлена в Таблице 3.4.
Таблица 3.4.
Варианты испытываемых контактов радиоэлектронных компонентов
№
п.п.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Тип соединения
Бессвинцовое
безвыводное
паяное
соединение
поверхност-ного
монтажа
Характеристика формируемого контакта
Тип корпуса
компонента
Чип SR01005
Чип SR0201
Чип SR0201
Чип SR0201
Чип SR0201
Чип SS0201
Чип SS0201
Чип SR0402
Чип SR0402
Чип SR0402
Чип SR0402
Покрытие
вывода
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Au
Au
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
76
Состав припоя
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
Финишное
покрытие ПП
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
IMAG
IMSN
IMSN
IMAG
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35*
36*
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
Комбинированное безвыводное
паяное
соединение
поверхност-ного
монтажа
Бессвинцовое
паяное
соединение
поверхност-ного
монтажа гибких
выводов
компонентов
Чип SR0402
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
SOD80
SOD80
SOD80
SOT23
SOT23
SOT23
SOT23
SOT23
QFN40T.5-G
Чип SR01005
Чип SR0201
Чип SR0201
Чип SS0201
Чип SS0201
Чип SR0402
Чип SR0402
Чип SR0402
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0603
Чип SR0805
Чип SR0805
Чип SR1206
Чип SR1206
SOD80
SOD80
SOT23
SOT23
SOT23
SOT23
QFN40T.5-G
SO8
SO8
SO8
SO8
TSSOP28M25B
TSSOP28M25B
TSSOP28M25B
TSSOP28M25B
TSSOP28M25B
HSOP20M-F
TSOP48T19.7B
TSOP48T19.7B
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
NiAu
Sn100
Sn100
Sn100
Au
Au
Sn100
Sn100
Sn100
SnPb
SnPb
SnPb
SnPb
Sn100
SnPb
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
NiAu
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
NiPd
Sn97Bi3
Sn97Bi3
77
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
Sn62
Sn63
Sn62
Sn62
Sn63
Sn63P37
Sn63
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn62
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
IMSN
ENIG
IMSN
ENIG
ENIG
IMSN
HALS SnPb
IMSN
ENIG
HALS SnPb
HALS SnPb
ENIG
IMSN
IMSN
ENIG
HALS SnPb
ENIG
HALS SnPb
ENIG
HALS SnPb
HALS SnPb
HALS SnPb
HALS SnPb
IMSN
ENIG
ENIG
OSP-Cu
OSP-Cu
IMAG
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
IMSN
IMAG
IMSN
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96*
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
Комбинированное паяное
соединение
поверхност-ного
монтажа гибких
выводов
компонентов
Бессвинцовое
паяное
соединение
поверхност-ного
монтажа матрицы
шариковых
выводов BGA
TQFP44T30T
TQFP44T30T
QFP100T25T
QFP100T25T
QFP100T25T
QFP100T25T
QFP100T25T
LQFP144T19.7B
LQFP144T19.7B
LQFP144T19.7B
LQFP144T19.7B
LQFP144T19.7B
TQFP128T15.7B
TQFP128T15.7B
TQFP128T15.7B
TQFP128T15.7B
TQFP128T15.7B
TQFP120T15.7B
TQFP120T15.7B
SO8
SO8
SO8
SO8
TSSOP28M25B
TSSOP28M25B
TSSOP28M25B
HSOP20M-F
HQFP48/64.8F
TSOP48T19.7B
TSOP48T19.7B
TQFP44T30T
TQFP44T30T
QFP100T25T
QFP100T25T
QFP100T25T
QFP100T25T
LQFP144T19.7B
LQFP144T19.7B
LQFP144T19.7B
TQFP128T15.7B
TQFP128T15.7B
TQFP128T15.7B
TQFP120T15.7B
TQFP120T15.7B
D2PAK
BGA46T.75C
BGA46T.75C
BGA46T.75C
BGA46T.75C
BGA46T.75C
BGA169T1.5C
BGA208T1.27C
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn98Cu2
Sn98Cu2
Sn98Cu2
Sn98Cu2
Sn98Cu2
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn100
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
NiPd
NiPd
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn100
Sn100
SnPb
SnPb
SnPb
SnPb
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn97Bi3
Sn98Cu2
Sn98Cu2
Sn98Cu2
Sn100
Sn100
Sn100
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
78
SAC305
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
SAC305
Bi58Sn42
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
IMAG
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
IMAG
IMSN
HALS SnPb
ENIG
ENIG
IMSN
HALS SnPb
IMSN
ENIG
ENIG
ENIG
IMSN
ENIG
IMSN
ENIG
HALS SnPb
IMSN
ENIG
ENIG
HALS SnPb
IMSN
ENIG
HALS SnPb
IMSN
ENIG
IMSN
ENIG
ENIG
OSP-Cu
OSP-Cu
HALS Pb-Free
IMAG
IMSN
HALS Pb-Free
IMAG
116
117
118*
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
Комбинированное паяное
соединение
поверхност-ного
монтажа матрицы
шариковых
выводов BGA
Бессвинцовое
паяное соединение в металлизир. отверстие ПП
Комбинированное паяное
соединение в
металлизир.
отверстие ПП
BGA208T1.27C
BGA46T.75C
SAC305
SAC305
SAC305
Sn63Pb37
IMSN
HALS SnPb
BGA46T.75
BGA46T.75C
BGA46T.75
BGA46T.75
BGA169T1.5C
BGA208T1.27C
BGA208T1.27C
DIP16M3F
Sn63Pb37
SAC305
Sn63Pb37
Sn63Pb37
SAC305
SAC305
SAC305
NiPd
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
Sn63Pb37
Sn63Pb37
Sn62
SAC305
HALS SnPb
IMSN
IMSN
ENIG
HALS SnPb
IMSN
ENIG
HALS Pb-Free
DIP8M3-TIN
Sn100
SAC305
IMAG
DIP16M3F
NiPd
Sn63Pb37
HALS SnPb
DIP8M3-TIN
Sn100
Sn63Pb37
HALS SnPb
DIP16M3F
NiPd
Sn63Pb37
HALS SnPb
DIP8M3-TIN
Sn100
Sn63Pb37
IMSN
ТО220М3
Sn100
Sn63Pb37
ENIG
Примечание:*) Классические паяные соединения выводов компонентов, имеющих оловянно-свинцовое
покрытие, с контактными площадками ПП, имеющими оловянно-свинцовое финишное покрытие, выполненные
оловянно-свинцовым припоем. Применены в испытуемых образцах как эталонные паяные соединения.
На образцах ТПЭМ сформированы последовательные контрольные цепи,
состоящие из испытываемых бессвинцовых или комбинированных соединений
одного типа, проводников ПП и внутренних проводников имитаторов ЭКБ.
Контрольные цепи выведены на краевой разъём для обеспечения непрерывного
мониторинга во время испытаний. Для проведения сравнительных испытаний в
соответствии с разработанными базовыми технологиями изготовлено 100
образцов ТПЭМ, по 10 штук каждого из 10 наименований, что является
достаточным для набора статистики.
3.5. Испытания паяных контактов и их результаты
Сравнительные ускоренные испытания проведены в соответствии с
разработанной и изложенной ранее программой. Образцы тестовых электронных
модулей сгруппированы в 3 испытательные группы для осуществления полного
комплекса испытательных воздействий (см. Рисунок 3.2). Рассмотрим
последовательно результаты по каждому виду воздействий.
3.5.1. Испытание на воздействие термических ударов
Термические удары проводились посредством воздействия быстрым
(30°С/мин и более) изменением температуры окружающей среды от минус 65 до
плюс 125ºС с выдержкой при каждой температуре в течение 1 ч, всего 60 циклов
79
(измерение параметров-критериев годности после 5, 15, 30 и 60 циклов).
Испытания проводились с использованием двух камер - камеры тепла
CHIRANA STE 39/11 и камеры холода МС-71 (Рисунок 3.8).
Рисунок 3.8. Камера тепла CHIRANA STE 39/11 (слева) и
камера холода МС-71 (справа) с установленной в них испытательной оснасткой
Сопротивления в тестовых цепях контролировалось с использованием
универсального вольтметра В7-27 А/1 и омметра цифрового Щ34. Результаты
проверки считались положительными, если сопротивление контролируемой цепи
соответствуют нормам, установленным методикой испытаний.
При обнаружении отказа или превышения допустимого сопротивления
тестовой цепи производилась локализация отказа или неисправности.
Локализация отказа производилась по тестовым контактным площадкам
каждого соединения. После локализации места отказа производилась установка
перемычки на тестовые контактные площадки (примеры устанавливаемых
перемычек показаны на Рисунке 3.9), которые шунтировали отказавший элемент,
чтобы не повредить само паяное соединение (для последующего анализа), тем
самым восстанавливалась тестовая цепь.
Рисунок 3.9. Примеры перемычек, устанавливаемых для шунтирования
локальных отказов
80
Главной причиной возникающих отказов ПС при испытаниях на
термический удар является наличие больших переходных градиентов
температуры и несогласованность температурных коэффициентов линейного
расширения элементов конструкции электронного модуля. При тепловом ударе
чрезвычайно быстрые изменения температуры вызывают деформацию изделия,
возникающие напряжения растяжения и сдвига могут превысить прочность тех
или иных элементов конструкции модуля.
На гистограмме (Рисунок 3.10.) представлены суммарные по всем видам
ТПЭМ (всего 10 наименований) отказы паяных соединений на испытаниях
термоударом для отдельных групп компонентов.
Отказы чип-резистора SR1206 (21,00%) по всем типам ТПЭМ связаны с
большими габаритными размерами элемента, что при недостаточном времени
релаксации приводит к возникновению запредельных напряжений, вследствие
чего образуются трещины по поверхности и внутренней структуре припоя.
Отказы чип-резистора SR01005 (1,50%) по всем типам ТПЭМ связаны с крайне
малыми размерами контактных площадок, что приводит к превышению
разрывных усилий уровня адгезии контактных поверхностей компонента.
Суммарные отказы чип-резистора SS0201 по всем типам ТПЭМ связаны с
образованием слоя интерметаллида золото-олово из-за чрезмерной толщины
золотого покрытия (более 1 мкм) на контактной поверхности компонента.
Рисунок 3.10. Итоговая гистограмма отказов ПС после термических ударов
3.5.2. Механические испытания
Стратегия сравнительных испытаний паяных контактных соединений на
надежность в числе быстрых механических испытательных воздействий,
стимулирующих
образование
отказов,
предусмотрены
воздействия
синусоидальной вибрации в диапазоне частот (1-2000 Гц) с амплитудой
81
ускорения 30 g в течение 24 часов суммарно по 3-м направлениям (измерение
параметров-критериев годности после воздействия по каждому из
направлений), а так же воздействия механического удара многократного
действия с пиковым ускорением 150 g и длительностью действующего
ударного ускорения 3 мс в количестве 9000 ударов суммарно по 3-м
направлениям (измерение параметров-критериев годности после воздействия
по каждому из направлений).
Воздействие вибрации осуществлялось на вибростенде ВЭДС-040.
Вибростенд, технологическая оснастка (куб) с установленными образцами
модулей показаны на Рисунке 3.11.
Стенд ударный для осуществления воздействий многократных
механических ударов СУ-1 с оснасткой показаны на Рисунке 3.12.
Проверка целостности контрольных цепей
образцов типовых
представителей ЭМ проводилось после каждого из воздействий в направлениях
X, Y, Z. Для замера сопротивления тестовых цепей были использованы
универсальный вольтметр В7-27 А/1 и омметр цифровой Щ34.
В случае обнаружения отказа, производилась его фиксация и локализация.
Далее устанавливалась перемычка, которая шунтировала отказавший контакт, тем
самым восстанавливалась тестовая цепь.
По результатам механических испытаний проведён анализ выявленных
отказов.
Рисунок 3.11. Типовые представители ЭМ,
установленные на технологическую
оснастку, в процессе испытаний на
воздействия вибрации
Рисунок 3.12. Типовые представители ЭМ
в процессе испытаний на воздействия
механического многократного удара
82
Сводная
информация
по
всем
отказам
паяных
соединений
радиоэлектронных компонентов на механических испытаниях всего комплекса
типовых представителей ЭМ представлена на Рисунке 3.13.
Как видно из гистограммы, высокий суммарный по всем видам ТПЭМ
процент отказов чип-резисторов SS0201 (4,80%) и компонентов TQFP128T15.7
(4,59%), HSOP20M-F (5,77%) и TSOP48T19.7B (19,14%) указывают на общую
ненадёжность данных исполнений компонентов при испытании их на
механические воздействия.
Рисунок 3.13. Сводная информация по отказам контактов радиоэлектронных
компонентов после механических воздействий
Итоговые суммарные значения числа отказов на механические воздействия
складываются из отказов при испытаниях на воздействие вибрации (первый этап)
и отказов при испытаниях на воздействие многократных ударов (второй этап),
при этом отказы распределились следующим образом:
- для чип-резистора SR01005 - 0,25% на первом и 0,75% на втором этапе;
- для чип-резистора SR0603 – 0,10% на первом и 0,20% на втором этапе;
- для чип-резистора SR1206 – 0,00% на первом и 0,25% на втором этапе;
- для чип-резистора SS0201 – 2,90%, на первом и 1,90% на втором этапе;
- для чип-резистора SR0402 – 0,09% на первом и 0,00% на втором этапе;
83
- QFP100T25T – 0,08% на первом и 0,00% на втором этапе;
- TQFP128T15.7 – 2,64% на первом и 1,95% на втором этапе;
- TSOP48T19.7B – 11,59% на первом и 7,55% на втором этапе;
- TSSOP28M25B – 0,06% на первом и 0,00% на втором этапе;
- BGA46T.75C –0,22% на первом и 0,36% на втором этапе;
- LQFP144T19.7 – 0,69% на первом и 0,74% на втором этапе;
- QFP100 – 0,10% на первом и 0,90% на втором этапе;
- TQFP44T30T – 1,21% на первом и 2,49% на втором этапе;
- QFN40T.5-G – 0,00% на первом и 0,42% на втором этапе;
- LQFP120T15.7B – 0,16% на первом и 0,83% на втором этапе;
- HSOP20M-F – 2,31% на первом и 3,46% на втором этапе.
Из представленных данных видно, что бо́льший процент отказов всех
компонентов на всех модулях пришёлся на вторую часть механических
испытаний.
Представленная информация по повышенному уровню отказов контактов
отдельных радиоэлектронных компонентов при испытаниях на быстрые
воздействия даёт основание не включать соответствующие конструктивнотехнологические исполнения ЭКБ в перечень рекомендуемых для аппаратуры,
функционирующей в жёстких условиях.
3.5.3. Испытания на медленные климатические воздействия
В состав ускоренных сравнительных испытаний широкой номенклатуры
контактов радиоэлектронных компонентов включены медленные климатические
воздействия в режимах, позволяющих стимулировать образование отказов, в
частности, воздействия медленного изменения температуры окружающей среды
(термоциклирование) от минус 65 до плюс 125ºС с выдержкой при каждой
температуре в течение 15 минут. Предусмотрено на первом этапе проведение 500
циклов с последующим продолжением до 6000 циклов. Мониторинг и
регистрация отказов проводится в течение всего времени испытаний с
использование автоматизированного стенда регистрации отказов тестовых цепей
АСР.
Испытания на воздействие изменения температуры окружающей среды
проводились в камере тепла и холода Espec MC-811P (Рисунок 3.14).
При
термоциклировании происходит многократная смена механизма
разрушения паяных контактов радиоэлектронных компонентов. Повышенная
температура приводит к изменению механизма пластической деформации до
сверхпластичности, скорость развития которой с ростом температуры также
увеличивается. Это приводит к малым микроструктурным повреждениям,
84
активации процесса диффузии в паяном соединении, укрупнению зерен припоя и
других дефектов. Характер и интенсивность увеличения дефектов зависит от
физико-химических особенностей применяемого припоя, финишного покрытия
ПП, материала ПП и покрытия контактов ЭКБ. Рост и развитие дефектов в
паяных контактах резко увеличивается при понижении температуры до –65 ºС.
Механизм разрушения паяного соединения также изменяется с пластического до
упругого.
Термоциклирование приводит к напряжениям сдвига, и отказ
происходит при сочетании усталости при сдвиге и релаксации напряжений.
Рисунок 3.14. Камера тепла и холода Espec MC-811P
с установленной испытательной оснасткой
При проведении заключительной проверки сопротивлений контролируемых
цепей использовались универсальный вольтметр В7-27 А/1 и омметр цифровой
Щ34.
Ниже на гистограмме (Рисунок 3.15.) представлена суммарная информация
по отказам паяных контактов радиоэлектронных компонентов после медленных
циклических климатических воздействий на все типы модулей.
Суммарные отказы чип-резисторов SR0805 (3,50%) и SR1206 (4,00%) по
всем типам ТПЭМ связаны с большими габаритными размерами элементов, что
приводит к недостаточному времени релаксации компонента по отношении к
времени релаксации платы, вследствие чего образуются трещины по поверхности
и внутренней структуре припоя.
85
Рисунок 3.15. Сводная информация по отказам контактов радиоэлектронных
компонентов после медленных климатических воздействий (500 термоциклов)
Отказы чип-резистора SR01005 (5,00%) связаны с крайне малыми
линейными размерами контактных площадок компонента при относительно
большом количестве припоя на контактных площадках платы. Суммарные отказы
чип-резистора SS0201 (9,25%) по всем типам ТПЭМ связаны с образованием
слоистых интерметаллических структур золото-олово из-за чрезмерно большой
толщины (более 1 мкм) золотого покрытия на контактных поверхностях
компонента.
Отказы BGA46T.75C связаны хрупкостью и жёсткостью бессвинцового
материала шариковых выводов SAC305, в то время как на BGA46T.75 со
свинецсодержащим материалом выводов Sn63Pb37 отказов не зафиксировано.
17,71 % отказов элемента TSOP48T19.7B связаны со значительно большей,
относительно ширины, длиной компонента, что приводит к недостаточному
времени релаксации компонента по отношении к времени релаксации платы,
вследствие чего образуются трещины по поверхности и внутренней структуре
припоя выводов.
1,25% отказов TQFP128T15.7, по-видимому, связаны с покрытием выводов
сплавом Sn98Cu2, что приводит к образованию хрупкого интерметаллида олова и
меди.
После подробного анализа отказов по результатам 500 циклов смены
температур и восстановления контрольных цепей испытания образцов
86
электронных модулей были продолжены до достижения 6000 циклов при
постоянном мониторинге и фиксации отказов.
Выявленные на 500 циклах тенденции продолжили своё развитие. Часть
электронных модулей, содержащих конструктивно-технологические решения,
ориентированные на гражданскую аппаратуру, пришли к массовым отказам. В
тоже время, основные варианты конструкций, ориентированные на повышенную
устойчивость к жёстким воздействиям, прошли весь комплекс испытаний и
позволили выполнить задачу, поставленную перед данным исследованием.
Приведённая помодульная статистика зафиксированных отказов контактов
радиоэлектронных компонентов (для изделий, которые прошли все испытания) по
результатам воздействий с высоким коэффициентом ускорения (термоудары,
механические удары и широкополосная вибрация) и низким коэффициентом
ускорения (термоциклирование) представлена в Таблице 3.5.
Таблица 3.5.
Статистика отказов контактов радиоэлектронных компонентов на испытаниях
типовых представителей электронных модулей
9144
0
1894
15152
0
ЭМ8
SAC305
IMAG
1794
14352
3 / 0,08%
ЭМ9
Castin
IMSN
2110
16880
0
ЭМ10
Sn62
ENIG
2110
16880
Всего:
81552
Всего бессвинцовые
40376
Всего свинецсодержащие
41176
3/
0,07%
6/
0,007%
3/
0,007%
3/
0,007%
Припой
ЭМ5
SAC305
ЭМ7
Всего
(8 ЭМ каждого
наименования)
1143
Sn63Pb37
Термоциклы 6000
циклов
(по 4 ЭМ)
Термоудары 60
циклов
(по 2 ЭМ)
0
ЭМ4
Механика
(по 2 ЭМ)
Кол-во ПС в 8-ми экз. ЭМ
9144
Финишное покрытие ПП
1143
Sn62
HALS
SnPb
HALS
Pb-Free
IMSN
Наименование ЭМ
Кол-во ПС в 1-м ЭМ
Количество / процент
отказов на испытаниях
1/
0,04%
1/
0,04%
3/
0,08%
22 /
0,61%
64 /
1,51%
24 /
0,57%
115 /
0,56%
87 /
0,86%
28 /
0,27%
178 /
3,89%
314 /
6,87%
318 /
4,20%
518 /
7,22%
843
9,99%
627 /
7,43%
2798 /
6,86%
1675 /
8,30%
1123 /
5,45%
179 /
1,96%
315 /
3,44%
321 /
2,12%
543 /
3,78%
870 /
5,15%
654 /
3,87%
2919 /
3,58%
1765 /
4,37%
1154 /
2,80%
Следует отметить, что на испытаниях 80 образцов ТПЭМ зафиксировано в
87
1,56 раза больше отказов бессвинцовых паяных контактных соединений, чем
содержащих свинец.
Представляет интерес поэлементный анализ результатов испытаний,
особенно для вариантов пайки компонентов оловянно-свинцовыми припоями.
Так, среди безвыводных SMD-компонентов отказало 11,36%; среди SMD с
гибкими выводами – 2,81%, BGA – 4,59%. Компоненты с выводами для монтажа
в отверстия ПП – 0%. Данная информация требует учёта при разработке
современной РЭА, эксплуатируемой в жёстких условиях.
Контрольная группа
Испытания контрольной группы на воздействие повышенной температуры
(искусственное старение) проводились в климатической камере типа 3626/11 при
температуре +85ºС в соответствие с разработанной методикой. В ходе испытаний
контрольной группы, состоящей из 10 наименований ЭМ по 2 экз. каждого, были
произведены три замера сопротивления в тестовых цепях типовых представителях
ЭМ: после 500ч., 1000ч. и 1500ч.
Во время замера сопротивления были использованы универсальный
вольтметр В7-27 А/1 и омметр цифровой Щ34.
Во время проведения испытаний контрольной группы не было
зафиксировано ни одного отказа (превышения допустимого сопротивления в
контрольных цепях) типовых представителях ЭМ.
88
Глава 4. Базовый технологический процесс формирования паяных
соединений радиоэлектронных компонентов при их автоматизированном
монтаже с применением бессвинцовых и свинецсодержащих материалов
Комплекс проведённых исследований и многолетний опыт разработки и
постановки на серийное производство различной радиоэлектронной аппаратуры,
содержащей широкую номенклатуру радиоэлектронных компонентов, контактные
соединения которых с коммутационными платами выполняются методом пайки
[89 - 103], позволили определить типовую последовательность выполнения
технологических операций при сборке таких изделий.
Схема типового технологического процесса автоматизированного монтажа
радиоэлектронных компонентов методом пайки на коммутационные платы
электронных модулей представлена на Рисунке 4.1.
В
зависимости
от
конструктивно-технологических
особенностей
электронного модуля (материал подложки, одно- или двухстороннее
расположение компонентов, устойчивость компонентов к общему нагреву),
набора применённой ЭКБ, объёма выпуска продукции и др. - конкретная
технологическая операция может выполняться различными методами и
технологические режимы могут варьироваться.
Представляет интерес рассмотрение базового технологического процесса,
ориентированного на наиболее распространённые конструктивы ЭМ,
изготавливаемые на основе печатных плат с широкой гаммой ЭКБ ОП и ЭКБ ИП,
часть из которой устанавливается на поверхность ПП, другая же часть
устанавливается в отверстия ПП.
Далее последовательно рассмотрим вопросы создания технологии монтажа
широкой номенклатуры ЭКБ на платы ЭМ, напрямую связанные с
формированием паяных соединений радиоэлектронных компонентов.
Для отработки технологических процессов и последующего серийного
производства применяется комплект автоматического быстро перестраиваемого
оборудования для нанесения припойной пасты, установки компонентов на
отпечаток пасты, групповой пайки, селективной пайки, отмывки после пайки.
Указанный комплект оборудования дополняется необходимым оптическим,
электрическим и рентгеновским оснащением для контроля качества выполнения
технологических операций.
89
Рисунок 4.1. Схема типового технологического процесса автоматизированного монтажа
радиоэлектронных компонентов на коммутационные платы электронных модулей
90
Представленный на Рисунке 4.2. комплект оборудования позволяет, как
отрабатывать технологические процессы и составы материалов, так и вести
серийное многономенклатурное производство электронных модулей широкого
спектра аппаратуры, в том числе для жёстких условий эксплуатации.
Рисунок 4.2. Комплект оборудования для реализации технологии формирования
паяных соединений радиоэлектронных компонентов при сборке электронных модулей
Общим требованием ко всем разрабатываемым технологическим операциям
является необходимость обеспечить одновременный монтаж отечественной и
импортной ЭКБ с различными геометрией и материалами выводов (в том числе
бессвинцовыми), включая особо миниатюрные микрочип-компоненты 01005,
0201, 0402, ИС, БИС и СБИС в корпусах QFP и QFN c шагом расположения
выводов 0,4 и 0,5 мм и в корпусах с шариковыми выводами типа BGA.
4.1. Технология нанесения припойной пасты на контактные площадки
коммутационных плат
В радиоэлектронной промышленности нашей страны наибольшее
распространение получили два метода нанесения припойной пасты – метод
дозирования и метод трафаретной печати.
Метод дозирования используется при ремонте, в единичном или
многономенклатурном мелкосерийном производстве. Достоинством метода
является быстрый переход с одного типа платы на другой. Припойная паста
может наноситься с помощью ручных или автоматических дозаторов. Дозаторы
могут быть пневматическими или шнековыми. Метод дозирования предъявляет
повышенные требования к параметрам припойных паст. По совокупности
характеристик этот метод нашёл существенно меньшее распространение на
предприятиях радиоэлектронной промышленности и более широкое
распространение на предприятиях Роскосмоса.
Метод трафаретной печати является более предпочтительным в серийном и
крупносерийном
производствах,
так
как
обеспечивает
высокую
91
производительность и повторяемость процесса. Параметры процесса трафаретной
печати припойной пасты могут варьироваться в широких пределах, что позволяет
обеспечить монтаж практически всех известных поверхностно монтируемых
компонентов.
Исследования и разработка технологии нанесения припойной пасты
преследовали две цели: создание собственно технологии нанесения и выработка
требований к отечественным материалам, создаваемым для обеспечения
технологической
независимости
отечественной
радиоэлектронной
промышленности.
Исследования проводились с использованием тестовых конструкций,
внешний вид которых представлен на Рисунке 4.3.
Рисунок 4.3. Тестовая плата для отработки технологии;
внешний вид с лицевой (слева) и обратной (справа) стороны
Тестовые печатные платы имеют унифицированную топологию печатного
рисунка для различных финишных покрытий контактных площадок, в том числе:
1. Горячее лужение оловянно-свинцовым припоем (HALS Sn-Pb)
2. Горячее лужение бессвинцовым припоем (HALS Pb-Free)
3. Органическое защитное покрытие по меди (OSP-Cu)
4. Иммерсионное олово (IMSN)
5. Иммерсионное серебро (IMAG)
6. Иммерсионное золото по подслою химникеля (ENIG)
В интересах выявления наилучших комбинаций свойств припойных паст
применительно к формированию контактов
широкой номенклатуры
радиоэлектронных
компонентов
с
использованием
бессвинцовых
и
свинецсодержащих материалов, использовались пасты ведущих мировых
производителей и образцы отечественного производства, имеющиеся в продаже
на тот период времени (2008 – 2009 г.г.), в том числе:
1. Паста Multicore Sn62 CR36 AGS89.5
2. Паста Multicore Sn62 MP218 AGS89.5
3. Паста Multicore Sn62 WS200 AGS90.5
4. Паста Multicore 96SC LF320 AGS88AFU
5. Паста фирмы AIM Sn62 NC254 90.25-T3
92
6. Паста фирмы AIM Сastin NC293-Т5
7. Паста Multicore BI57 LT30 AAS 88
8. Паста фирмы Alpha Metalls OM-338T SAC305
9 Паста фирмы Alpha Metalls OM-5100 Sn63
10. Паста фирмы Warton Microprint P2006 Sn62
11. Паста фирмы Warton Microprint P2006 TSC
12. Паста НИИ «Гириконд» (СПб) ППСО ТЦАФ.670092.001ТУ
13. Паста НИИ «Гириконд» (СПб) ППВО ТЦАФ.670092.001ТУ
14. Паста НИИ «Гириконд» (СПб) ППБО ТЦАФ.670092.001ТУ
15. Паста НПФ «Динамика», (г. Ярославль) ППЛ-260
Представляло интерес исследование соотношения реологических свойств,
флюсующей активности, коррозионной активности паст и способности к
удалению остатков после пайки.
Перед исследованием свойств припойных паст и перед процессом
нанесения при сборке электронных модулей, пасты выдерживаются в течение 8
часов при температуре +20º C с последующим перемешиванием припойной пасты
в устройстве подготовки припойной пасты Malcom SPS-1 (Рисунок 4.4.) в течение
15 минут.
Рисунок 4.4. Устройство подготовки припойной пасты Malcom SPS-1
Устройство представляет собой центрифугу, содержащую вращающееся
коромысло, на котором закреплен наклонный держатель для одной
унифицированной банки пасты.
При исследовании реологических свойств различных типов припойных паст
используется метод испытания доз припойных паст, нанесенных методом
трафаретной печати на тестовые контактные площадки тестовых ПП. При этом
производится оценка осадки или растекания отпечатков пасты по плате под
воздействием временных и температурных факторов.
Участок печатной платы с тестовыми контактными площадками для
исследования реологии паст представлен на Рисунке 4.5.
93
Рисунок 4.5. Площадки для исследования реологии паст
Суть метода испытаний отпечатков пасты на осадку заключается в
следующем. На тестовой ПП имеется тестовый фрагмент, состоящий из 2-х рядов
контактных площадок размером 0,3х2,03 мм и 2-х рядов контактных площадок
размером 0,63х2,03 мм, расположенных вдоль и поперек направления движения
ракеля. Расстояния между контактными площадками в каждом ряду изменяются
от минимального до максимального к середине ряда и, затем, уменьшаются до
минимального.
Так расстояния между 16-ю контактными площадками размером 0,3х2,03
мм изменяются в следующей последовательности: 0,1 мм, 0,15 мм, 0,2 мм, 0,25
мм, 0,3 мм, 0,35 мм, 0,4 мм, 0,45 мм, 0,4 мм, 0,35 мм, 0,3 мм, 0,25 мм, 0,2 мм, 0,15
мм, 0,1 мм.
Расстояния между 16-ю контактными площадками размером 0,63х2,03 мм
изменяются в другой последовательности: минимальные расстояния между 1-й и
2-й и ,соответственно, 15-й и 16-й контактными площадками составляют 0,33 мм,
а максимальное расстояние между 8-й и 9-й контактными площадками – 0,89 мм.
После нанесения припойной пасты через металлический трафарет на
вышеописанные тестовые контактные площадки оцениваются реологические
свойства пасты, а именно, способность отпечатков пасты сохранять свою
геометрическую форму под воздействием временных и температурных факторов.
Критериями оценки является сохранение минимальных зазоров между
тестовыми контактными площадками, не перекрытых растекшейся пастой. При
этом, контроль производится дважды:
а) через 15 минут после нанесения и выдерживания в нормальных
климатических условиях;
б) после выдерживания в течение 15 минут в термокамере при температуре
120°С.
Результаты экспериментов для некоторых паст представлены на Рисунках
4.6. и 4.7.
94
Рисунок 4.6. Припойная паста ALPHA Metalls после 15-ти минутной выдержки
в НКУ (слева) и после 15-ти минутной выдержки при Т=120°С (справа)
Рисунок 4.7. Припойная паста НИИ «Гириконд» после 15-ти минутной выдержки
в НКУ (слева) и после 15-ти минутной выдержки при Т=120°С (справа)
Для оценки результатов эксперимента в промышленности введён так
называемый коэффициент реологии (Кр), принимающий значение размера зазора
между контактными площадками фрагмента тестового ряда, следующие сразу за
перемыканием нанесенных доз соответствующих припойных паст.
В результате исследований оказалось, что все зарубежные припойные пасты
имеют практически одинаковый Кр на уровне 0,1, либо 0,15.
Наихудшие результаты по реологии у паст НИИ Гириконд где Кр = 0,25.
Исследование образцов с нанесенной пастой НИИ Гириконд показывает
наличие перемыкания нанесенных доз на расстоянии между контактными
площадками до 0,2 мм.
Исследования показали, что зарубежные припойные пасты обладают
близкими реологическими свойствами и они существенно выше, чем у
существовавших на момент начала исследований отечественных паст.
Принципиальным фактором, определяющим качество нанесения припойной
95
пасты методом трафаретной печати является конструкция трафарета.
Рекомендуемые производителями оборудования для трафаретной печати
толщины трафаретов для нанесения припойных паст представлены в Таблице 4.1.
Таблица 4.1.
Рекомендуемые толщины трафаретов
Минимальный шаг
Рекомендуемая
Рекомендуемый
выводов компонентов
толщина трафарета
размер частиц припоя
0,65 мм
200 мкм
75-45 мкм
0,50 мм
125-150 мкм
45-25 мкм
0,40 мм
75-100 мкм
38-20 мкм
В отечественной практике для большинства применений используют
трафареты толщиной 150 – 200 мкм, однако, при наличии на плате особо
миниатюрных компонентов, такая толщина представляется излишней, не
позволяющей получить качественный отпечаток для всех размеров контактных
площадок. В нашем случае оптимальным оказалось значение толщины 127 мкм.
Для изготовления трафаретов может использоваться нержавеющая сталь,
медь, никель, латунь или бериллиевая бронза. По сумме показателей
нержавеющая сталь является предпочтительным материалом. Особенно явно
проявляются преимущества нержавеющей стали в случае применения микросхем
с малым шагом выводов.
При выборе метода изготовления трафаретов следует принимать во
внимание, что лазерная резка позволяет получить точный рисунок с практически
любым шагом, но имеет относительно высокую стоимость. Метод
двухстороннего травления обладает сравнительно невысокими затратами на
изготовление трафарета, однако из-за возникающего бокового растрава окон
имеется ограничение на минимальный шаг выводов порядка 0,65мм.
Таким образом, при одновременном формировании паяных соединений
широкой номенклатуры радиоэлектронных компонентов, предпочтительным
является использование трафаретов из нержавеющей стали с получением рисунка
отверстий лазерной резкой. Внешний вид трафарета из нержавеющей стали
представлен на Рисунке 4.8.
96
Рисунок 4.8. Трафарет (нержавеющая сталь) и соответствующая печатная плата
с установленными компонентами
Рекомендуемый размер окон в трафарете составляет 75 – 90% от размера
контактной площадки. Для получения четких отпечатков при высокой скорости
нанесения паяльной пасты необходимо обеспечить соотношение площади
отпечатка паяльной пасты к площади стенок трафарета не менее 0,8.
Для нанесения паяльной пасты могут использоваться ракели различной
конструкции из различных материалов, в том числе стальные, пластмассовые или
полиуретановые.
При продвижении ракеля припойная паста должна образовывать валик,
диаметр валика пасты должен находиться в пределах от 12 мм до 25 мм. При
недостаточном количестве пасты трудно добиться желательного вращения валика
пасты перед ракелем в момент нанесения; при избыточном количестве пасты
происходит загрязнение трафарета.
Угол наклона ракеля подбирается экспериментальным путем, и может
лежать в пределах от 12° до 60°. Большой угол позволяет легче катить валик
пасты, малый угол обеспечивает большее давление на пасту. Для стандартных
компонентов рекомендуется угол наклона ракеля – 60°, а для компонентов с
малым шагом – 45°.
Оптимальную силу прижима ракеля подбирают опытным путем, с учетом
толщины трафарета и скорости перемещения ракеля. При недостаточном
давлении паста не полностью продавливается в окна, а при чрезмерно большом
97
трафарет будет деформироваться. Для достижения оптимальной силы прижима
ракеля работу следует начать с 1 кг на 100 мм длины ракеля при скорости 20
мм/сек.
Постепенно увеличивая давление, необходимо добиться равномерного
нанесения припойной пасты. Предпочтительным является сила прижима 2 – 4 кг
на 100 мм длины ракеля. При завышенном давлении ракеля (около 8 кг), паста
способна через апертуры трафарета проникать на поверхность платы и оставлять
размытые отпечатки около КП.
При заниженном давлении (менее 1 кг) на контактных площадках остаётся
избыточное количество пасты, что в дальнейшем приведёт к появлению
перемыканий (Рисунок 4.9.) и увеличению размера паяного соединения.
Следует иметь ввиду, что изменение рабочей температуры на 1°С требует
изменения давления ракеля примерно на 5%. Это явление вызывает
необходимость стабилизации температуры на участке нанесения припойной
пасты.
Скорость перемещения ракеля определяется экспериментальным путем, но
может зависеть от минимального шага компонентов и типа паяльной пасты.
Обычно скорость нанесения выбирается в диапазоне от 15 до 25 мм/сек. При
завышенном значении скорости перемещении ракеля (более 35 мм/сек), паста не
успевает полностью заполнить апертуру трафарета, что приводит к
недостаточному количеству припоя или полному его отсутствию в паяном
соединении.
Рекомендуемая скорость разделения трафарета с печатной платой может
составлять от 0,1 мм/сек. до 20 мм/сек. в зависимости от типа пасты и
минимального шага выводов компонентов.
В результате отработки технологии трафаретной печати припойной пасты
достигается получение качественных отпечатков. Пример такого отпечатка
показан на Рисунке 4.10.
Рисунок 4.9. Перемыкания из-за увеличенного количества припойной пасты
98
Рисунок 4.10. Качественное нанесение припойной пасты методом трафаретной печати
Наиболее качественного нанесения припойной пасты можно добиться путем
включения в процесс печати цикла очистки трафарета, состоящего из:
- влажной протирки;
- вакуумного продува;
- сухой очистки.
По
результатам
отработки
технологии
определяются
режимы,
обеспечивающие качественное выполнение операции трафаретной печати
припойной пасты для монтажа широкой номенклатуры радиоэлектронных
компонентов при сборке ЭМ. Базовое значение параметров следующее: скорость
движения ракеля - 15 мм/сек, давление – 4 кг на 100 мм длины ракеля, скорость
разделения трафарета и платы после нанесения пасты установлено 0,1 мм в
секунду для первого миллиметра, далее скорость увеличивается до 1 см в секунду.
В зависимости от свойств используемой пасты и номенклатуры
компонентов
параметры
технологического
процесса
могут
быть
скорректированы.
4.2. Технология установки поверхностно монтируемых радиоэлектронных
компонентов на контактные площадки коммутационных плат
С целью отработки технологии автоматизированной установки широкой
номенклатуры радиоэлектронных компонентов потребовалось использование
оборудования, способного устанавливать практически все виды электронных
компонентов для поверхностного монтажа – от чипов типоразмера 01005 (0,3 х
0,13 мм) до микросхем 55 х 55 мм (с шагом между выводами до 0,3 мм и высотой
до 15 мм), в том числе BGA, т.е. оборудования, обладающего высокой степенью
универсальности. Исследования автора и анализ тенденций развития сборочномонтажного оборудования [104] показали, что для решения поставленной задачи
подходит оборудование по типу автомата-установщика компонентов для
99
поверхностного монтажа SM 321 фирмы Samsung.
Автомат SM 321 обладает следующими основными параметрами:
- кинематическая производительность составляет 21000 компонентов в час;
- точность монтажа чип - компонентов - 50мкм, микросхем - 30мкм при 3σ;
- количество позиций под питатели для ленты 8мм: 120;
- максимальный размер платы: 610 мм × 510 мм;
Основными
технологическими
параметрами
процесса
установки
компонентов поверхностного монтажа, требующими отработки, являются:
 способ центрирования компонента;
 скорость установки;
 высота захвата компонента;
 уровень вакуума при захвате;
 размер насадки.
Для компонентов типоразмера 0402, 0201 и 01005 захват производится
насадкой с каналом размером 20 мкм. Подъем из ленты и установка на печатную
плату производится с функцией «soft touch» (замедление при контакте насадки с
компонентом и при контакте компонента с печатной платой). Задержка при
подъеме компонента должна составлять 100 мс, при установке компонента – 150
мс.
Центрирование компонентов происходит «на лету» с помощью системы
технического зрения, имеющейся в составе автомата. Компоненты BGA, QFP и
TSOP захватываются насадкой размером 220мкм. Подъем из ленты и установка на
печатную плату производится с функцией «soft touch». Задержка при подъеме
крупных компонентов должна составлять 200 мс, при установке таких
компонентов – 250 мс. Центрирование крупных компонентов на присоске
выполняется с помощью метода мульти съёмки. Дополнительное центрирование
около позиции установки выполняется с помощью локальных реперных меток,
нанесенных на печатную плату в области контактных площадок компонента.
Прочие компоненты возможно устанавливать с использованием заводских
предустановок автомата установки компонентов поверхностного монтажа SM
321.
Питатели с компонентами располагаются в проксимальной и дистальной
зонах автомата установки компонентов поверхностного монтажа. В процессе
работы одновременно могут использоваться все типы питателей (питатели из
ленты, питатели из кассет, питатели из матричных поддонов). Это позволяет
полностью отработать режимы установки для всей гаммы применённых
радиоэлектронных компонентов.
Реальная
производительность
автомата
установки
компонентов
поверхностного монтажа SM 321 составила 10000 – 11000 компонентов в час при
сборке экспериментальных электронных модулей. Отличие достигнутой
производительности от кинематической связано с особенностями конструкции
конкретных печатных плат, широкой номенклатурой используемых компонентов
поверхностного монтажа, введением рациональных времён задержки инструмента
на позициях захвата и установки компонентов.
100
4.3. Технология групповой пайки поверхностно монтируемых
радиоэлектронных компонентов методом оплавления припойной пасты
Основным физико-технологическим этапом формирования комплекса
эксплуатационных свойств паяных соединений радиоэлектронных компонентов
является операция групповой пайки радиоэлектронных компонентов на
коммутационную плату электронного модуля. Для большинства случаев при
сборке современной РЭА, предназначенной для эксплуатации в жёстких
условиях, групповая пайка поверхностно монтируемой ЭКБ производится
методом оплавления предварительно нанесённой припойной пасты.
В качестве метода нагрева пасты для формирования паяного соединения
получили распространения конвекционная пайка (нагрев в печи потоком
нагретого воздуха или другого газа), конденсационная пайка (нагрев за счёт
конденсации паров теплоносителя), инфракрасная пайка (рассеянными или
сфокусированными инфракрасными лучами) и лазерная пайка. В наибольшей
степени для многономенклатурного серийного производства РЭА различного
назначения с переменным составом ЭКБ ОП и ЭКБ ИП (в том числе в
бессвинцовом исполнении) подходит конвекционная пайка.
Результат процесса пайки зависит от многих факторов, включая паяемость
соединяемых поверхностей, физико-химические параметры припойной пасты,
теплофизические параметры деталей ЭМ, температурно-временные параметры
процесса термообработки при пайке и др. В свою очередь, температурновременной режим нагрева при оплавлении припойной пасты определяется исходя
из названных факторов и учитывает ограничения, накладываемые техническими
условиями на ЭКБ и коммутационную плату, методом нагрева и видом
теплоносителя.
Традиционно температурно-временной режим пайки оплавлением делят на
три зоны: зона предварительного нагрева, зона пайки и зона охлаждения. Режим
обработки в каждой зоне оказывает влияние на результат групповой пайки [105 109].
Параметры зоны предварительного нагрева определяются, в основном,
свойствами органического связующего припойной пасты. При предварительном
нагреве из пасты должен плавно, без кипения, удаляться растворитель. Паста не
должна разбрызгиваться и растекаться за пределы отпечатка, как во время
предварительного нагрева, так и в следующей зоне пайки. Нагрев не должен
достигать температуры основной активации флюса, иначе эта активность может
быть исчерпана ещё до момента, когда она необходима – периода коалесценции
расплавленных частиц припоя и растекания капли расплава по паяемым
поверхностям (периода непосредственно пайки). Кроме того, параметры
предварительного нагрева должны обеспечить равномерный прогрев паяемых
деталей без повреждений и существенных деформаций.
Температурно-временные параметры зоны пайки должны обеспечить
преодоление паяемой сборкой температуры плавления припоя (желательно в
максимальной степени одновременно для всей гаммы компонентов), подъём
101
температуры до максимальной температуры пайки, выдержку при этой
температуре расплавленного припоя в заданном диапазоне времени. В этой зоне
происходит слияние частиц расплавленного припоя в единую каплю
(коалесценция), смачивание паяемых поверхностей расплавленным припоем,
формирование паяльных зазоров и галтелей, растворение материалов паяемых
поверхностей в расплавленном припое, взаимная диффузия участвующих в пайке
материалов, химические реакции образования интерметаллических соединений и
продуктов взаимодействия флюса с материалами припоя, паяемых поверхностей и
окружающей атмосферы, активная дегазация будущего паяного соединения и
всех элементов конструкции ЭМ. Параметры режима в зоне пайки должны
обеспечить отсутствие недопустимых проявлений деструкции полимерных
материалов коммутационной платы и компонентов, образования нерастворимых
при будущей отмывке остатков, а так же импульсной дегазации, вызывающей
повреждение конструкции.
В зоне охлаждения необходимо обеспечить быстрое прекращение
высокотемпературных процессов (диффузии, растворения, пиролиза и т.п.),
затвердевание припоя в паяном шве, относительно равномерное охлаждение без
недопустимых деформаций.
Всё сказанное демонстрирует отсутствие возможности формирования
«оптимального» режима для всех случаев, тем более в отрыве от состава пасты.
Конкретный набор материалов (коммутационной платы, припойной пасты,
покрытий выводов компонентов и др.), геометрия изделия, состав ЭКБ,
особенности используемого оборудования – требует учёта и приводит к
необходимости юстировки режимов для различных групп ЭМ.
Однако, это не отрицает возможности создания базовых режимов
формирования контактов радиоэлектронных компонентов для определённых
групп изделий, в том числе устойчивых к жёстким условиям эксплуатации.
Исследования и разработка технологии формирования контактов
радиоэлектронных компонентов с коммутационными платами ЭМ методом
групповой пайки оплавлением припойной пасты проводились с использованием
конвейерной конвекционной печи
ERSA HOTFLOW 2/14. Данная печь
обеспечивает варьирование технологических режимов во всём интересующем нас
диапазоне. Основной позитивной конструктивной особенностью является
наличие 14 зон нагрева (по 7 сверху и снизу конвейера) и 2 зон охлаждения.
Скорость конвейера варьируется от 0,2 до 2 метров в минуту, что обеспечивает
необходимую динамику изменения температуры в месте формирования паяного
соединения и заданное время выдержки при определённых температурах.
Основными технологическими параметрами процесса оплавления являются
температуры в зонах нагрева и охлаждения и скорость конвейера.
Контроль температур в зонах нагрева и охлаждения производился с
помощью устройства измерения температурных профилей RPC-306, показанного
на Рисунке 4.11. Данное устройство состоит из модуля памяти и интерфейсного
модуля. Модуль памяти помещается в печь оплавления и фиксируется.
Температурный профиль можно измерить, закрепив на поверхности печатной
платы до шести термопар, которые подключены к модулю памяти.
102
Термопары могут крепиться к поверхности печатной платы при помощи
термостойкого скотча или подпаиваться к элементам печатного узла с помощью
тугоплавкого припоя.
Подключение модуля памяти к персональному компьютеру осуществляется
через интерфейсный модуль.
Рисунок 4.11. Устройство измерения температурных профилей RPC-306
Результат измерения отображается графически посредством специального
программного обеспечения «TAM-4».
Экспериментальные работы позволили получить 4 температурных профиля:
1. Температурный профиль комбинированной пайки с пониженной
пиковой температурой для припоев ПОС61, Sn63 и Sn62 (Рисунок
4.12.).
2. Температурный профиль комбинированной пайки с повышенной
пиковой температурой для припоев ПОС61, Sn63 и Sn62 (Рисунок
4.13.).
3. Температурный профиль бессвинцовой пайки для припоев SAC и
Castin (Рисунок 4.14.).
4. Температурный профиль низкотемпературной бессвинцовой пайки для
припоя SnBi (Рисунок 4.15.).
При комбинированной пайке пониженная пиковая температура
применялась для симуляции режима, когда используются отечественные
компоненты, чувствительные к термическому удару.
Повышенная пиковая температура применялась для получения
качественных паяных соединений крупных многовыводных компонентов в
бессвинцовом исполнениии (типа BGA, QFN и т.п.).
103
Рисунок 4.12. Температурный профиль комбинированной пайки
с пониженной пиковой температурой для припоев ПОС61, Sn63 и Sn62
Рисунок 4.13. Температурный профиль комбинированной пайки
с повышенной пиковой температурой для припоев ПОС61, Sn63 и Sn62
104
Рисунок 4.14. Температурный профиль бессвинцовой пайки для припоев SAC и Castin
Рисунок 4.15. Температурный профиль низкотемпературной бессвинцовой пайки
для припоя SnBi
Температурные профили подбирались с учетом рекомендаций к припойной
пасте, требований к температурным нагрузкам компонентов.
Для оплавления пасты на печатных платах с двухсторонним монтажом ни
каких манипуляций с изменением температуры нижних нагревателей не
105
проводилось, т.к. клейкость и сила поверхностного натяжения расплавленного
припоя припойной пасты удерживает даже самые тяжелые компоненты из
использованных в экспериментальных работах, в том числе HQFP64, BGA208.
Отдельно следует оговорить термопрофиль для комбинированной пайки
компонентов BGA с шариковыми выводами из сплава SAC оловянно-свинцовым
припоем.
При использовании термопрофиля, стандартного для сплава олово-свинец,
припойная паста, нанесённая на контактные площадки под шариковые выводы
компонентов BGA, плавится, но сами шарики из сплава SAC остаются
нерасплавленными. Свинец из пасты частично диффундирует в твёрдый
оловянный сплав шарикового вывода (температура плавления сплава SAC 217
ºС). распространяется между частицами припоя шарикового вывода. Согласно
металлографическим
исследованиям
(Рисунок
4.16.),
результирующая
микроструктура паяного соединения получается крайне неоднородной и
нестабильной, переплавления припоя SnPb из пасты и припоя SAC из шариков не
происходит. Механические и надёжностные параметры такого соединения
переменного состава не известны, а при натурных испытаниях такие контакты
показали существенно более низкую устойчивость к внешним воздействиям [95].
Рисунок 4.16. Паяное соединение шарикового вывода корпуса BGA;
материал вывода – припой SAC305, припой Sn62Pb36Ag2 в минимальном количестве
Вопрос применения ЭКБ ИП типа BGA в бессвинцовом исполнении
одновременно с ЭКБ ОП на одной плате требует отдельного решения. Некоторые
исследователи предлагают последовательно смонтировать бессвинцовые
компоненты с использованием бессвинцовой припойной пасты по
рекомендуемым «бессвинцовым» режимам, а затем остальные компоненты паять
оловянно-свинцовой пастой по соответствующим для ЭКБ ОП режимам [110].
Такое предложение трудно признать рациональным, так как удваивается
106
трудоёмкость, изделие подвергается двукратному нагреву, что отрицательно
сказывается на надёжности.
Другой вариант одновременной пайки ЭКБ ИП типа BGA в бессвинцовом
исполнении и ЭКБ ОП предлагается в работе [111], автор предлагает паять все
компоненты оловянно-свинцовыми пастами или припоями. При этом «для
формирования качественного паяного соединения пиковая температура пайки
должна соответствовать пиковой температуре бессвинцовой технологии монтажа,
чтобы гарантировать полное растворение в припое финишного покрытия выводов
и образования качественного интерметаллического соединения». То есть, автор
предлагает вести монтаж, в том числе и отечественных компонентов, при
повышенной температуре, характерной для бессвинцовых паст на основе припоя
SAC. Такое испытание сможет выдержать весьма ограниченный перечень ЭКБ
ОП, не говоря уже об отсутствии таких режимов в ТУ на отечественные
компоненты и на материалы отечественных печатных плат. Видимо автор
ориентировался на американские стандарты IPC, где можно найти рекомендации
по использованию в указанном случае термопрофиля пайки с более высокой
пиковой температурой (до 250ºС), возможно, с плоским пиком, т.е. профиль
пайки паяльной пастой SnPb, адаптированный под расплавление шариковых
выводов из бессвинцового сплава SAC.
Во время пайки по такому профилю шариковый вывод SAC также плавится,
а свинец из расплавленной паяльной пасты SnPb перемешивается с материалом
расплавленного вывода SAC; при этом создаётся однородная мелкозернистая
структура с фазой, обогащённой свинцом, расположенной в оловянной матрице.
Кроме того, так как шариковый вывод SAC плавится и осаживается, происходит
самоцентрирование, что уменьшает проблемы, связанные с некомпланарностью,
и, таким образом, увеличивается выход годных паяных соединений BGA.
Исследования,
проведенные
в
ОАО
«Авангард»,
подтвердили
действенность вышеописанного механизма образования качественного
комбинированного паяного соединения выводов BGA. Однако, определяющим
фактором явилось не применение термопрофиля пайки с более высокой пиковой
температурой (до 250ºС), а определённое соотношение олова и свинца по массе в
создаваемом комбинированном паяном соединении BGA, под которое должен
подбираться температурно-временной профиль пайки.
На рисунка 4.17 показана микроструктура паяного соединения шарикового
вывода BGA, смонтированного на одной и той же плате, что и соединение на
рисунке 4.16, с применением традиционного термопрофиля с пиковой
температурой около 210°С, но с увеличенным количеством пасты.
107
Рисунок 4.17. Фрагмент паяного соединения шарикового вывода корпуса BGA;
материал вывода – припой SAC305, припой Sn62Pb36Ag2 в максимальном количестве
Если на Рисунке 4.16 наблюдается граница плавления оловянно-свинцового
припоя с нерасплавленным шариком из бессвинцового припоя, то на Рисунке 4.17
такая граница отсутствует, наблюдается структура, обогащенная прожилками
свинца. Шарик из бессвинцового припоя расплавился при максимальной
температуре пайки 210°С за счёт контактно-реактивного плавления на границе
расплавившегося при температуре 179°С оловянно-свинцового припоя и
постепенно расплавляющегося шарика из бессвинцового припоя. Благодаря
взаимной диффузии образовался в этом конкретном случае сплав нового состава
Sn79,9Pb16,9Ag2,2Cu1,1.
При увеличенном дозировании припойной пасты, обеспечивающим
соотношение олова и свинца по массе 10 к 1 в создаваемом комбинированном
паяном соединении BGA, рекомендуется температурный профиль для оловянносвинцового припоя Sn62Pb36Ag2 с пиковой температурой 220°С, показанный на
Рисунке 4.13, и временем нахождения при температуре выше линии Солидус в
течение 60-65 сек.
Полученный по предложенной технологии контакт компонента типа BGA c
контактной площадкой платы обладает лучшей устойчивостью к жёстким
внешним воздействиям среди вариантов комбинированной пайки, но уступает
контакту околоэвтектического состава в системе SnPb. Сформированный при
комбинированной пайке сплав имеет переменный состав и структуру в
зависимости от дозировки оловянно-свинцовой пасты, что может отрицательно
влиять на надёжность паяного соединения. Свойства такого сплава не изучены, он
может быть рекомендован только для изделий, не требующих высокой
устойчивости к жёстким воздействиям.
Исследованиям и решению задачи создания технологии монтажа
компонентов типа BGA в бессвинцовом исполнении с обеспечением высокой
надёжности в условиях жёстких воздействий посвящена Глава 5. Для остальных
импортных компонентов, как в исполнении «military» и «space», так и в
108
бессвинцовом исполнении, но удовлетворяющим требованиям монтажа оловянносвинцовым припоем, а так же и для традиционной отечественной ЭКБ для
поверхностного монтажа предлагаются указанные в настоящей главе режимы.
4.4. Технология селективной пайки
Селективная пайка выводов ЭКБ (например, разъёмов или ИС в корпусах
типа DIP и т.п.), установленных в отверстия печатных плат, на которые
предварительно были припаяны припойной пастой поверхностно монтируемые
компоненты, проводилась с использованием установка селективной пайки и
пайки волной припоя Select 460 S/W. Данное оборудование в качестве метода
селективной (избирательной) пайки использует последовательную пайку
микроволной припоя.
В процессе отработки технологии использовалось два типа форсунок для
подачи припоя:
- форсунка с предпочтительным направлением стекания припоя;
- форсунка без предпочтительного направления стекания припоя.
Так как печатные платы электронных модулей для отработки технологии
формирования контактов радиоэлектронных компонентов были спроектированы с
учетом известных технологических ограничений, полученные результаты с
применением обоих типов форсунок были идентичны.
В результате отработки технологии получены следующие основные
технологические параметры процесса селективной пайки:
- температура припоя в тигле для свинцовосодержащего процесса - 275º C;
- температура припоя в тигле для бессвинцового процесса - 300º C;
- угол наклона паллеты - 10º;
- время одной пайки – 1 сек;
- диаметр форсунки – 5мм.
Внешний вид интерфейса программы для управления установкой
селективной пайки показан на Рисунке 4.18. На рисунке видны значения
основных и вспомогательных параметров процесса селективной пайки.
109
Рисунок 4.18. Интерфейс программы для работы с установкой селективной пайки
Отработанные режимы селективной пайки эвтектическим припоем SnPb
при сборке ЭМ по технологии комбинированной пайки и припоем SAC305 при
сборке ЭМ по бессвинцовой технологии позволили получить высокое качество
изделий, практически без отказов на отбраковачных испытаниях. При этом,
негативные воздействия селективной пайки на близлежащие поверхностно
монтируемые компоненты не выявлены. Это объясняется грамотным
проектированием ЭМ с учётом технологических ограничений.
4.5. Завершающие процедуры процесса формирования паяных соединений
радиоэлектронных компонентов
К завершающим процедурам формирования паяных соединений
радиоэлектронных компонентов при монтаже ЭКБ относятся операции отмывки
собранного изделия от остатков припойной пасты и (или) флюса, контроль
внешнего вида изделий, электрический контроль изделия, ремонт (при
необходимости).
Технология отмывки ЭМ после пайки, в первую очередь, определяется
используемыми при пайке материалами, конструкцией модуля, набором
используемых компонентов в части устойчивости их к отмывочным жидкостям и
режимам отмывки. Во вторую очередь – режимами пайки, которые могут
повлиять на удаляемость остатков паст (флюсов) после термообработки.
Очистка ЭМ после пайки должна обеспечить удаление возможных ионных
110
загрязнений в интересах предотвращения коррозии и утечек тока, необходимую
чистоту контактных поверхностей для последующего зондового контроля
электрических параметров изделия, высокую адгезию последующих
влагозащитных покрытий. Конкретные технические требования по качеству
отмывки изложены в соответствующей нормативной документации.
С целью контроля результатов реализации комплекса технологических
операций по формированию паяных соединений может применяться ряд методов,
в том числе:
- визуальный контроль оператором;
- автоматическая визуальная инспекция;
- рентгеновский контроль;
- ультразвуковой контроль;
- лазерно-термометрический контроль;
- электрический контроль;
- технологические (отбраковочные) испытания.
Состав и режимы контроля и испытаний определяются в НТД и ТУ на
конкретную аппаратуру. Как правило, в отечественном производстве контроль
исчерпывается визуальным и электрическим контролем и технологическими
испытаниями. Учитывая увеличивающееся количество применяемых
компонентов с выводами под телом корпуса (например, типа BGA), необходимо
дополнять указанные методы объективными методами выявления недостатков
скрытых от оптического контроля паяных соединений. Таким методом может
быть рентгеновский контроль.
Другим важным аспектом обеспечения надёжности выпускаемой
аппаратуры, является обоснованное установление рационального состава и
режимов технологических испытаний, рассчитанных на новые виды соединений.
111
Глава 5. Физические основы и технология преобразования состава
бессвинцовых шариковых выводов радиоэлектронных компонентов
в состав, приближенный к эвтектическому сплаву SnPb
В последнее десятилетие при производстве отечественной РЭА
ответственного применения наблюдается устойчивая тенденция использования,
наряду с отечественной, импортной высокоинтегрированной ЭКБ с шариковыми
выводами (типа BGA и т.п.). В большинстве случаев такие компоненты
поставляются в Российскую Федерацию в бессвинцовом исполнении с выводами
из оловянного сплава SAC305 или подобного. При расположении на одной плате
ЭКБ ОП и ЭКБ ИП в бессвинцовом исполнении имеется ряд проблем обеспечения
надёжности РЭА.
В связи с изложенным, актуальной задачей является создание технологии
автоматизированного совместного поверхностного монтажа на печатные платы
ЭКБ ОП и ЭКБ ИП, в том числе BGA с бессвинцовыми шариковыми выводами, с
использованием режимов монтажа, характерных для отечественных компонентов
и печатных плат, в том числе с применением припойных паст на основе
эвтектических оловянно-свинцовых припоев ПОС61, Sn63Pb37 или Sn62Pb36Ag2.
Ранее (Глава 4) было показано, что радиоэлектронные компоненты с
шариковыми выводами из бессвинцового припойного сплава требуют особого
подхода при формировании контактов с коммутационной средой. Такие
компоненты имеют выводы с относительно большой расплавляемой массой
исходного сплава, в котором отсутствует свинец, и то количество свинца, которое
привносится с припойной пастой во время пайки на контактные площадки платы,
не обеспечивает создание околоэвтектического сплава и, соответственно, не
позволяет достичь максимальной надёжности паяных контактов компонент –
коммутационная плата.
С целью доведения компонентов с шариковыми выводами из бессвинцовых
припойных сплавов до состояния, когда они могли бы монтироваться на
коммутационную плату с применением оловянно-свинцовых припойных паст
одновременно с другими компонентами (как бессвинцовыми, так и
традиционными) с формированием надёжных контактов, пригодных для
эксплуатации в жёстких условиях, предприятием ОАО «Авангард» предложен
метод корректировки состава сплава шариковых выводов с введением в него
значительной доли свинца до достижения околоэвтектического состава сплава
[112]. Такое изменение состава сплава, из которого выполнен вывод компонента,
будем называть преобразованием. В качестве физической основы преобразования,
112
используются результаты изучения процессов диффузии компонентов сплавов на
основе олова и свинца при контактно-реактивном их плавлении.
5.1. Возможные варианты технологии формирования паяных
соединений компонентов с бессвинцовыми шариковыми выводами
Анализ информационных источников и практики работы отечественных
предприятий выявил несколько методов обеспечения совместного монтажа ЭКБ
ОП и бессвинцовой ЭКБ ИП типа BGA, пять из них показаны на Рисунке 5.1.
Первые четыре варианта можно считать традиционными, однако их нельзя
назвать оптимальными. Рассмотрим их особенности.
Вариант 1. Пайка пастой SnPb по режимам ЭКБ ОП одновременно всех
поверхностно монтируемых компонентов.
Этот метод совместного монтажа можно назвать «стихийным», так как
именно так он и сложился в практике отечественных предприятий
радиоэлектронной промышленности. Такая технология позволяет не повредить
отечественные компоненты, НТД по отношению к ним не нарушается.
Относительно монтажа ЭКБ ИП по такой технологии до последнего времени в
нормативной документации ничего не говорилось. Однако, получаемое качество
соединений шариковых выводов с контактными площадками плат данным
методом явно недостаточное.
Рисунок 5.1. Методы обеспечения совместного монтажа ЭКБ ОП
и бессвинцовой ЭКБ ИП типа BGA
113
При использовании температурно-временного профиля, стандартного для
сплава олово-свинец (205-215 С), припойная паста, нанесённая на контактные
площадки под шариковые выводы, плавится, но сами шарики из бессвинцового
сплава (чаще всего сплава SAC305 - Sn96,5Ag3,0Cu0,5) остаются
нерасплавленными
(Tпл217С).
Такие
паяные
соединения
имеют
микроструктуры крайне неоднородные и нестабильные (см. Рисунок 5.2.),
существенно отличающиеся от структуры соединений, полученных при
использовании шариков из традиционного оловянно-свинцового припоя. Свинец
из пасты ограниченно распространяется между частицами припоя SAC
шарикового вывода. Перераспределения свинца из пасты при плавлении припоя
SnPb в припой SAC не происходит, что отрицательно влияет на надёжность
паяного соединения.
Рисунок 5.2. Микроструктура контакта, сформированного из
бессвинцового шарика и припойной пасты SnPb по режимам ЭКБ ОП
В случае применения ненадлежащей пасты (недостаточная активность для
работы по бессвинцовым материалам), либо не соответствующих состоянию
поверхности вывода режимов термообработки, имеется опасность получения
дефекта соединения под названием «голова на подушке» (Рисунок 5.3.) [113].
114
Рисунок 5.3. Дефект контакта бессвинцового шарика «голова на подушке»
Контакты, полученные по технологии варианта 1 не могут быть
рекомендованы для эксплуатации в жёстких условиях.
Вариант 2. Пайка пастой SnPb по режимам бессвинцовой ЭКБ ИП
одновременно всех поверхностно монтируемых компонентов.
Согласно этому варианту технологии, оловянно-свинцовая паста (для пайки
отечественных компонентов) доводится до температуры бессвинцовой пайки (250
– 260 С) со всеми негативными последствиями для отечественных компонентов и
отечественной печатной платы, при этом минимизируются шансы на
качественное удаление остатков пасты после пайки. Такую термообработку
рекомендуют стандарты IPC наших американских «коллег» и некоторые
российские специалисты [111]. Действительно, при этих режимах происходит
полное перемешивание двух припоев с достижением равномерного распределения
компонентов сплава по объёму шарика. В зависимости от количества нанесенной
оловянно-свинцовой припойной пасты на контактные площадки платы, в
процессе пайки образуются ПС, имеющие структуру четырехкомпонентного
неэвтектического сплава SnPbAgCu с содержанием свинца от 5% до 20%.
Неэвтектические сплавы с различным химическим составом имеют разные
температуры плавления и кристаллизации, разные микроструктуры и, вероятно,
отличные механические и эксплуатационные свойства, которые еще полностью не
изучены. Эксперименты показали более низкую надёжность таких, в полном
смысле комбинированных, соединений по сравнению с оловянно-свинцовыми
околоэвтектического состава.
Действующая в России НТД категорически не предусматривает пайку
компонентов на подобных режимах.
Вариант 3. Последовательная установка и пайка ЭКБ ИП бессвинцовой
пастой по бессвинцовому режиму, затем установка и пайка ЭКБ ОП
свинецсодержащей пастой по «cвинцовым» режимам. Такой метод предлагается
некоторыми отечественными специалистами [114]. Процедура многостадийной и
115
длительной термообработки всего модуля может негативно сказаться на печатной
плате, лишний раз нагреваются бессвинцовые компоненты и их паяные
соединения, нельзя применить высокопроизводительную трафаретную печать
припойной пасты.
Такая технология в явном виде не запрещена нормативной документацией,
но высокая трудоёмкость и потеря надёжности из-за дополнительного цикла
нагрева всего модуля не может быть широко рекомендована.
Вариант 4. Выполнение операции реболлинга (замены шариковых выводов)
для ЭКБ ИП, а затем, пайка пастой SnPb по режимам ЭКБ ОП одновременно всех
поверхностно монтируемых компонентов. Сегодня это весьма распространённая в
отечественной и зарубежной практике технология [115], направленная на уход от
комбинированных соединений с неизученными свойствами, обеспечивающая
получение более высокой надёжности, чем варианты 1, 2 и 3.
Реболлинг компонентов BGA или замена шариковых выводов компонентов
BGA – это процесс снятия бессвинцовых шариковых выводов и воссоздания
матрицы шариковых выводов из оловянно-свинцового припоя на нижней стороне
корпуса компонента. При этом обеспечивается возможность применения BGA без
дополнительных испытаний, поскольку при их монтаже будет формироваться
традиционные оловянно-свинцовые ПС, зарекомендовавшие себя за многолетний
период эксплуатации, в том числе в жестких условиях, как высоконадежные
межсоединения [115 - 117].
К минусам реболлинга относится то, что это достаточно дорогой и
трудоёмкий процесс. Главный же недостаток реболлинга состоит в том, что
производители компонентов не рекомендуют проводить процесс замены
шариковых выводов вследствие наличия ограниченного числа циклов теплового
воздействия, которым может быть подвергнут компонент [116].
Процесс замены шариковых выводов
BGA-микросхемы фактически
приводит к неремонтопригодности изделий, так как для большинства
компонентов предусмотрено не более 3-х циклов нагрева с расплавлением
припоя. В случае проведения реболлинга мы имеем:
- первый цикл нагрева с расплавлением припоя происходит при удалении
исходных бессвинцовых шариков и зачистке основания корпуса компонента
(Рисунок 5.4.);
- вторым циклом нагрева считается сам процесс восстановления шариков,
когда их устанавливают на основание корпуса компонента (Рисунок 5.5.);
- третий цикл – собственно пайка компонента на плату.
116
Рисунок 5.4. Процесс удаления исходных шариков припоя с использованием жгута из
медной проволоки, впитывающего расплавленный припой [115]
Выполняя операцию реболлинга и последующий монтаж на плату, мы на
100% вырабатываем ресурс перепаек компонента и, тем самым, исключается
возможность потенциального предъявления рекламаций производителю
компонента со стороны изготовителя аппаратуры, т.к. для этого необходимо
выпаять компонент, а это уже 4-й недопустимый цикл нагрева.
Рисунок 5.5. Процесс укладки шариков для их последующей припайки к корпусу
с целью формирования новых выводов компонента [115].
Если проводить операцию реболлинга не на новых микросхемах, а
демонтировать компонент с платы и восстанавливать, то получается 5 циклов.
В случае реболлинга происходит многократное наращивание слоя
интерметаллидов на границах припоя с металлизацией компонента и с контактной
площадкой платы. Учитывая процедуру установки шариков на заводе117
изготовителе, таких последовательных негативных воздействий получается не
менее 4-х, что обязательно приводит к снижению надёжности.
Таким образом, в спецтехнике процесс замены шариковых выводов
методом реболлинга следует признать нежелательным [118], но временно
допустимым.
На
практике
отечественные
предприятия
сталкиваются
со
злоупотреблениями производителей импортных компонентов в части обеспечения
качества ЭКБ, так как рекламация все равно не будет принята.
Описанные 4 варианта традиционных технологий монтажа бессвинцовых
компонентов с шариковыми выводами
не могут быть признаны
удовлетворительными, требуется новая технология (Вариант 5 согласно Рисунку
5.1) подготовки ЭКБ с бессвинцовыми шариковыми выводами к совместному
монтажу одновременно с отечественными и другими иностранными
компонентами.
5.2. Преобразование состава сплава шариковых выводов
как альтернатива реболлингу и другим традиционным технологиям
Поиск решений, обеспечивающих высокую надёжность контактов
компонентов, используемых для создания аппаратуры, функционирующей в
жёстких условиях, но не обладающих недостатками реболлинга, привёл к
разработке метода преобразования состава сплава, из которого сформированы
шариковые выводы компонентов типа BGA [112].
Суть метода преобразования заключается в сплавлении двух
неэвтектических (по отношению к системе SnPb) припоев с получением
околоэвтектического сплава непосредственно в пределах шарикового вывода
компонента.
В качестве первого (исходного) сплава используется материал вывода в
состоянии поставки, а в качестве второго сплава используется специальный
корректирующий (преобразующий) припой с высоким содержанием свинца.
Преобразующий припой удобно (с точки зрения унификации
технологических процессов в сборочном производстве) вносить в зону
сплавления двух припоев в виде припойной пасты. В этом случае
последовательность действий будет следующей (Рисунок 5.6):
- на первой операции (Рисунок 5.6а) наносим через металлический трафарет
преобразующую припойную пасту расчетного состава на подложку из не
смачиваемого материал типа стекла (например стекло D263TECO или AF-32,
118
температура стеклования 717 ˚С, рабочая температура до 600 ˚С), керамики и т.п.
(Рисунок 5.7).
- далее производится установка компонента с матрично-расположенными
шариковыми выводами из бессвинцового припоя на подложку с отпечатком
преобразующей припойной пасты (Рисунок 5.6б);
- на третьем этапе производится нагрев собранной конструкции (Рисунок
5.6в) с последующим охлаждением в соответствии с заданным температурновременным профилем.
В процессе нагрева преобразующей пасты с порошком припоя с высоким
содержанием свинца при температуре около 183 °С в местах контакта частиц
преобразующего припоя с поверхностью ещё пока твёрдого шарикового вывода
начинается процесс контактного плавления с образованием жидкой фазы.
Появившаяся жидкая фаза смачивает сферическую поверхность шарикового
вывода и по этой поверхности идёт процесс взаимной диффузии свинца в олово и
олова в свинец с постепенным выравниванием состава образующегося сплава.
Рисунок 5.6. Процесс преобразования сплава шариковых выводов компонентов из
бессвинцового в оловянно-свинцовый околоэвтектического состава
а) нанесение припойной пасты; б) установка компонента на отпечаток пасты;
в) нагрев до расплавления припоев; г) формирование выводов из нового сплава
Ввиду ограниченного по площади фронта взаимодействия, время на
протекание процесса выравнивания состава итогового сплава может оказаться
достаточно велико.
119
Рисунок 5.7. Стеклянная подложка для выполнения процесса преобразования
При отработке технологии преобразования необходимо оптимизировать
режимы с целью минимизации роста интерметаллических соединений на границе
с металлизацией корпуса компонента. Бесконтрольный рост интерметаллидов
может отрицательно сказаться на надёжности последующего паяного соединения
в аппаратуре.
С целью интенсификации процедуры преобразования за счёт перевода
взаимной диффузии из поверхностного процесса в объёмный, предложено [112] в
состав преобразующей пасты ввести некоторое количество частиц эвтектического
сплава SnPb. Такое решение резко сокращает время развития начальной стадии
процесса и всей операции в целом.
В случае использования в преобразующей пасте смеси порошков из двух
металлических сплавов, при нагреве, наряду с контактным плавлением сплава
свинца с оловом, сначала плавится имеющийся в нанесённой припойной пасте
эвтектический оловянно-свинцовый припой Sn63Pb37. За доли секунды
появляется значительное количество жидкой фазы, что резко интенсифицирует
процесс взаимной диффузии в объёме будущего нового шарика. По мере
повышения температуры процесс диффузии ускоряется и через несколько секунд
завершается формированием расплавленной капли припоя с новым
околоэвтектическим составом (Рисунок 5.6г).
После охлаждения расплава формируется новый шариковый вывод
радиоэлектронного компонента с составом, близким к эвтектическому в системе
SnPb, полностью пригодный для дальнейшего монтажа как обычный оловянносвинцовый.
Сравнение рассмотренных пяти методов совместного монтажа по 5-бальной
системе представлено в Таблице 5.1, при этом 5 баллов соответствуют отличной
оценке, а 1 балл – полностью негативной.
120
Таблица 5.1.
Сравнение методов обеспечения совместного монтажа ЭКБ ОП
и бессвинцовой ЭКБ ИП типа BGA
№
п/п
1
2
3
4
5
Метод
Параметр
Минимизация
трудоёмкости
Соответствие
НТД РФ
Надёжность
Возможность
рекламаций BGA
Возможность
рекламаций
ЭКБ ОП
Вариант 1
«Стихийный»
Вариант 3
«Многостадийный»
2
Вариант 4
Реболлинг
Вариант 5
Преобразова-ние
5
Вариант 2
«Совет
коллеги»
5
3
4
4
1
3(4)
4
4(5)
3
2
4
4
5
4
5
4
2
5
5
2
5
5
5
Преимущество метода преобразования по комплексу показателей не
вызывает сомнения [119, 120].
5.3. Особенности технологии преобразования сплава бессвинцовых
шариковых выводов компонента в состав, приближенный
к эвтектическому сплаву SnPb
Принципиальной особенностью процесса преобразования является
применение специальной преобразующей (корректирующей) припойной пасты.
Состав припойной пасты для реализации процесса преобразования
металлического сплава шариковых выводов радиоэлектронных компонентов типа
BGA должен удовлетворять двум группам требований:
а) металлургический состав металлической фракции пасты должен
обеспечить в результате сплавления с дозой бессвинцового припоя из
первоначального («штатного») вывода компонента получение желаемого
околоэвтектического припоя в системе SnPb, причём температурно-временной
режим преобразования не должен выходить за пределы допустимых воздействий
на компонент;
б) реологические и адгезионные свойства пасты, размер шариков припоя,
флюсующая активность и ряд других параметров должны обеспечить
дозирование пасты, оплавление с максимальной степенью коалесценции
расплавленного припоя, отсутствие коррозионных воздействий на компонент.
В результате математического и физического моделирования был определен
диапазон варьирования процентного содержания компонентов преобразующей
припойной пасты, в том числе определён диапазон содержания основного
121
компонента металлического сплава – свинца, а именно от 90 – 95 %, что нашло
отражение в патенте [112].
Для большинства применений, рациональным содержанием свинца в
преобразующей пасте является 92,5 %. Именно с таким сплавом организован в
ОАО «Авангард» серийный выпуск преобразующей пасты ППП-7,5-4-92А по ТУ
1723-002-07518266–2013.
Для создания условий получения надёжных паяных соединений
радиоэлектронных компонентов с шариковыми выводами представляет особый
интерес понимание кинетических процессов при выполнении операции
преобразования шариковых выводов из бессвинцового припоя. Подробно
результаты теоретических исследований процессов, происходящих при
преобразовании сплавов отражены в работе [121].
Выявленные
аналитические
зависимости
и
проведённые
экспериментальные исследования показали соответствие температурновременных режимов, требуемых для реализации технологического процесса
преобразования состава бессвинцовых шариковых выводов микросхем в BGA
корпусах в околоэвтектическое состояние (в системе Sn-Pb), типовым режимам
выполнения процесса пайки поверхностно монтируемых компонентов с
применением оловянно-свинцовой припойной пасты.
Во время преобразования состава бессвинцового металлического сплава
шариковых выводов процесс проходит несколько стадий. За первые секунды
после начала плавления сплавов происходит только частичное перемешивание
свинца и олова, текущее распределение компонентов нельзя признать
удовлетворительным. Структура и распределение компонентов сплава на
начальной стадии процесса показаны на Рисунке 5.8 и в Таблице 5.2.
Рисунок 5.8. Микроструктуры шариковых выводов компонентов BGA
в начальной стадии процесса преобразования
Как видно из представленных материалов, наблюдается значительная
концентрация свинца со стороны действия преобразующей пасты. В то же время,
около металлизации корпуса состав оловянного сплава изменился не значительно.
122
Таблица 5.2.
Данные рентгеновского микроанализа начальной стадии процесса преобразования
Участок
Ni
Cu
Ag
Sn
Pb
□1
0.7
0.4
1.9
83.4
13.6
□2
2.1
66.0
31.9
□3
1.8
48.4
49.8
●4
25.2
74.6
●5
91.6
8.4
●6
14.8
16.4
68.8
Окончание процесса преобразования наступает при полном выравнивании
концентраций компонентов итогового сплава по всему объёму шарикового
вывода. Структура и распределение компонентов сплава на завершающей стадии
процесса показаны на Рисунке 5.9 и в Таблице 5.3.
Рисунок 5.9. Микроструктуры шариковых выводов компонентов BGA
после завершения процесса преобразования
Таблица 5.3.
Данные рентгеновского микроанализа завершенного процесса преобразования
Участок
Ni
Cu
Ag
Sn
Pb
□1
2.0
63.6
34.4
□2
0.2*
2.1
64.4
33.3
□3
0.2*
0.6
2.0
63.0
34.2
●4
0.2*
16.8
83.0
●5
0.2*
4.5
84.7
10.5
●6
92.6
2.6
4.7
●7
0.4
63.5
31.0
5.1
*) в пределах погрешности метода измерения
123
Реализованная согласно представленному алгоритму подготовительная
операция преобразования матрично расположенных шариковых выводов
микросхемы
из
бессвинцового
припоя
в
оловянно-свинцовые
околоэвтектического состава производится за один цикл теплового воздействия,
исключает механические воздействия на микросхему и её контактные площадки.
Отработка технологии преобразования показала, что данную операцию
следует производить по температурно-временным режимам групповой пайки
поверхностно монтируемых компонентов с использованием оловянно-свинцовых
припойных паст (Рисунок 5.10.). Данный факт гарантирует сохранение полной
работоспособности компонентов после преобразования, так они рассчитаны на
более жёсткие режимы бессвинцовой пайки.
Реализованная согласно представленному алгоритму подготовительная
операция преобразования матрично расположенных шариковых выводов
микросхемы
из
бессвинцового
припоя
в
оловянно-свинцовые
околоэвтектического состава производится за один цикл теплового воздействия,
исключает механические воздействия на микросхему и её контактные площадки.
Операция преобразования позволяет в процессе последующего монтажа
компонентов типа BGA и CSP с преобразованными шариковыми выводами на
печатную плату одновременно с другими поверхностно монтируемыми
компонентами формировать качественные оловянно-свинцовые контактные
соединения, предназначенные для работы в жестких условиях эксплуатации.
Рисунок 5.10. Температурно-временной профиль, применяемый при преобразовании
сплава матрично-расположенных шариковых выводов из бессвинцового
в оловянно-свинцовый околоэвтектического состава.
124
Проведение операции преобразования состава сплава, из которого
выполнены бессвинцовые шариковые выводы микросхем в BGA корпусах, по
типовым режимам монтажа отечественных компонентов позволит не только
сократить время на переналадку оборудования, но и исключить ошибки
персонала, а так же поднять качество выпускаемой продукции, ориентированной
на жёсткие условия эксплуатации.
125
Глава 6. Типовые требования к специальному технологическому
оборудованию для надёжного одновременного монтажа радиоэлектронных
компонентов методом пайки
Правильный выбор конструктивно-технологического исполнения ЭКБ,
технологических методов и материалов для монтажа компонентов наряду с
рациональным
конструированием
являются
необходимыми
условиями
достижения качества и экономической эффективности производства РЭА, но не
достаточными в полной мере. Важно так сформировать линейку оборудования,
чтобы обеспечить контролируемость и управляемость технологических процессов
на всех этапах производства. Комплект основного технологического
оборудования должен быть подобран самым тщательным образом.
Более чем 30-ти летний опыт исследований и разработок в области
производства электронных модулей по технологии поверхностного монтажа
показал, что в этой технологии нет второстепенных операций. На каждой стадии
требуется использование оборудования, обладающего необходимым набором
функций и возможность поддержания установленных режимов в заданных
допусках.
Остановимся на некоторых требованиях к оборудованию, обеспечивающих
контролируемость и управляемость технологических режимов обработки изделий
при формировании паяных соединений повышенной надёжности широкой
номенклатуры радиоэлектронных компонентов в процессе их монтажа на
коммутационную плату с использованием бессвинцовых и свинецсодержащих
материалов.
6.1. Требования к оборудованию трафаретной печати припойной пасты
Для установки трафаретной печати припойной пасты необходимо иметь
возможность регулировать и поддерживать следующие технологические режимы:
- направление печати;
- количество проходов ракеля для одного отпечатка;
- давление ракеля при печати в диапазоне 1 – 8 кг на 100 мм;
- скорость движения ракеля в диапазоне 5 – 40 мм/сек;
- скорость разделения трафарета и платы должна регулироваться и
составлять для первых миллиметров величину порядка 0,1 мм/сек с последующим
увеличением до 10 мм/сек;
- дистанция разделения трафарета и платы;
- размеры платы;
126
- диапазон хода ракеля;
- скорость транспортёра для подачи и снятия платы;
В условиях серийного производства РЭА необходимо, что бы оборудование
предусматривало механизированную очистку трафарета и систему машинного
зрения для ориентации плат. Цикл очистки трафарета должен содержать влажную
протирку, вакуумный продув, сухую очистку. При этом целесообразно иметь
возможность задавать параметры для двух видов очистки - профилактической и
основной.
К минимальному набору параметров очистки следует отнести
периодичность очистки, скорость очистки для каждого вида раздельно, скорость
протяжки очищающей бумаги, время работы дозатора растворителя, время
работы отсоса.
Система машинного зрения должна позволять производить точную
ориентацию платы при условии задания размера, цвета и расположения реперных
знаков на плате, должна позволять вводить постоянную программную поправку
на положение трафарета относительно реперных знаков на плате.
Система управления установкой трафаретной печати должна постоянно
контролировать и поддерживать текущие режимы обработки с точностью порядка
5% (а для критичных параметров – желательно точнее) и сигнализировать о
любых отклонениях от заданных параметров.
Желательно введение в установку трафаретной печати функции оптической
инспекции качества отпечатка, что существенно снижает риск получения брака и
снижает трудоёмкость контроля.
Кроме того, в последнее время появилась возможность контроля
температуры и влажности в районе нахождения пасты, что позволяет вносить
программные поправки на отдельные режимы печати для достижения
максимального качества.
Дополнительная гибкость на операции трафаретной печати может быть
обеспечена при использовании программного регулирования ширины конвейера
установки.
Рационально во время рабочих циклов нанесения припойной пасты
использовать вывод всей существенной информации о параметрах процесса на
дисплей установки. При необходимости вмешательства оператора, вывод
информации должен сочетаться со звуковым сигналом.
Возможный вид панели управления на дисплее установки трафаретной
печати представлен на Рисунке 6.1.
127
Рисунок 6.1. Вариант организации панели управления установки трафаретной печати
6.2. Требования к оборудованию установки компонентов на плату
Ключевым элементом производственной линейки монтажа ЭКБ с точки
зрения общей производительности является оборудование по установке
компонентов на плату. Кинематическая производительность установщика весьма
важная характеристика, но не единственная, которую требуется принимать во
внимание при определении оптимального комплекта оборудования.
Для современного предприятия важно обеспечить возможность установки
как крупногабаритных многовыводных компонентов размером до десятков
миллиметров (например в корпусах BGA), так и миниатюрных чип резисторов
типоразмера 01005 (примерно 0,3мм х 0,15мм). Такой широкий диапазон
размеров перекрывается только рядом инструментов и при наличии технического
зрения.
Должно быть предусмотрено управление вакуумом в системе захвата
компонентов не только для надёжного извлечения их из ленточного питателя или
кассеты, но и для гарантированного освобождения инструмента на позиции
128
установки компонента на плату.
Высокая точность позиционирования инструмента ещё не гарантирует
точность установки компонента. Для достижения приемлемого конечного
результата необходима возможность корректировки движения инструмента в
зависимости от реального положения конкретного компонента на инструменте и
управление скоростью и ускорениями движения инструмента.
Минимальный
набор
параметров,
задаваемых
оператором
и
поддерживаемых оборудованием для размещения ЭКБ на платах, представляется
следующим:
- размер платы;
- место расположения реперных знаков;
- форма и размер реперных знаков;
- вид машинного зрения («летающее» или/и фиксированное);
- цвет платы;
- скорость опускания захвата на компонент;
- длительность периода присасывания компонента;
- скорость подъёма с компонентом;
- скорость разворота компонента;
- скорость опускания компонента на плату;
- время приложения противодавления для гарантированного отсоединения
компонента от присоски;
- процент совпадения фактического изображения компонента с идеальным
для корректировки места посадки;
- процент общего замедления всех движений на период проверки и отладки
режимов;
- скорость конвейера подачи платы;
- периодичность автокалибровки видеокамер;
- алгоритм работы системы датчиков;
- количество плат в партии.
Целесообразно использовать вывод всей существенной информации на
дисплей оборудования в сочетании с подачей звукового сигнала при
необходимости вмешательства оператора. Возможный вид одного из кадров на
дисплее оборудования для размещения компонентов представлен на Рисунке 6.2.
Установщик компонентов должен уметь работать как с ленточными
питателями и с прямоточными кассетами, так и с кассетами вафельного типа.
Информация о каждом компоненте должна вводиться в систему управления
оборудованием. Минимальный набор параметров, описывающих каждый
компонент следующий:
- размер тела компонента по трём координатам;
129
- размеры и расположение выводов;
- координаты места захвата;
- тип захвата и его размер;
- вид и размер реперного знака на компоненте;
- количество каждого компонента на плате;
- место установки для каждого компонента данного типа.
Рисунок 6.2. Вариант организации панели управления установки
размещения компонентов
Вариант организации панели управления для ввода информации о
компонентах представлен на Рисунке 6.3.
РЭА специального назначения, как правило, содержит, кроме поверхностномонтируемых компонентов, ЭКБ со штырьковыми выводами, разъёмы, экраны и
т.п.
В последние годы наблюдается тенденция автоматизации установки
компонентов, монтируемых в отверстия. Основной вариант такой автоматизации
базируется на технологии поверхностного монтажа, то есть на использовании
припойной пасты и для пайки штырьковых выводов в отверстиях печатных плат.
Для этого целесообразно обеспечить установку всех видов ЭКБ на одном
автоматизированном оборудовании. Это привносит дополнительные требования к
130
кассетам, захватам компонентов, машинному зрению. Базовые требования,
представленные выше, сохраняются.
Рисунок 6.3. Вариант организации панели управления
для ввода параметров компонентов
6.3. Требования к оборудованию для оплавления припойных паст
Наибольшее влияние на качество, в том числе надёжность, формируемых
контактов оказывают параметры технологического процесса оплавления
припойной пасты. Печь для пайки должна обеспечивать заданные температурновременные режимы обработки изделия для прохождения всех стадий процесса
оплавления припойной пасты. При этом необходимо обеспечить высокую степень
равномерности нагрева припойной пасты и паяемых поверхностей вне
зависимости от материала, размера, веса и других параметров деталей. Для
нагрева паяемого узла в условиях серийного многономенклатурного производства
аппаратуры специального назначения с использованием элементов бессвинцовых
технологий могут применяться метод конвекционного нагрева потоком нагретого
газа (воздуха), инфракрасный нагрев и метод конденсационного нагрева в парах
131
теплоносителя.
Инфракрасный нагрев позволяет легко управлять мощностью и
направлением потока лучей, создавать быстро перестраиваемое оборудование,
обеспечивающее пайку различными по температуре плавления материалами.
Однако, эффект цветоизбирательного поглощения инфракрасных лучей
поверхностями компонентов и их выводами, проводников и диэлектриков платы,
приводит к трудностям обеспечения равномерности нагрева на основаниях с
низкой теплопроводностью и при частой смене номенклатуры компонентов. Это
привело к тому, что инфракрасный нагрев в условиях многономенклатурного
производства используется редко и, чаще всего, как вспомогательный.
Конденсационная пайка позволяет, в силу постоянства температуры
конденсации теплоносителя, обеспечить высокую воспроизводимость режимов
пайки. Однако, в силу того же обстоятельства, нет возможности поменять
температуру пайки при переходе на другую припойную пасту. При производстве
унифицированных изделий этот метод является перспективным.
В наилучшей степени для многономенклатурного производства с
необходимостью частой перестройки режимов, требованиям гибкости с
одновременным обеспечением высокого качества пайки, соответствует метод
конвекционного нагрева потоками горячего воздуха, направляемого из матрицы
сопел и удаляемого из зоны нагрева без влияния на соседние зоны.
Печь пайки должна обеспечивать заданную скорость изменения
температуры в зоне формирования контакта, для чего она должна содержать
необходимое количество зон нагрева (желательно по 7 зон сверху и снизу) и
охлаждения (минимум по 2 зоны сверху и снизу). При этом минимальный набор
задаваемых и поддерживаемых параметров следующий:
- температура для каждой зоны отдельно;
- допуск на каждую температуру;
- скорость конвейера;
- ширина конвейера;
- место поддерживающего упора снизу;
- скорость конвекции снизу;
- скорость конвекции сверху;
- скорость конвекции в зоне охлаждения;
- время выдержки после выхода последней платы до перехода в ждущий
режим.
Вариант организации панели управления печи пайки представлен на
Рисунке 6.4. На иллюстрации показан момент задания режимов на холодной печи.
132
Рисунок 6.4. Вариант организации панели управления печи пайки
Конструкция печи должна позволять применение оснастки для измерения
температуры в местах формирования паяных соединений, на компонентах и на
поверхности плат, например такой, как показана на Рисунке 4.11.
6.4. Требования к оборудованию для неразрушающего контроля
при формировании контактов компонентов
Важнейшим условием производства надёжной продукции является
возможность объективного неразрушающего контроля качества поступающих на
сборку коммутационных плат, комплектующих изделий и готовой продукции.
Наиболее информативным методом такого контроля на этапах формирования
контактов радиоэлектронных компонентов при сборке ЭМ можно признать
рентгеновскую дефектоскопию при использовании оборудования с переменным
фокусным расстоянием и регулируемым углом обзора образцов.
Пример изображения на экране установки рентгеновской инспекции при
анализе качества паяных контактов компонента в корпусе BGA представлен на
Рисунке 6.5.
133
Рисунок 6.5. Пример изображения на экране установки рентгеновской инспекции
Оборудование рентгеновской инспекции позволяет контролировать
внутреннюю структуру многослойных коммутационных плат (проводники,
переходные отверстия и т.п.), состояние корпусов компонентов, качество
разварки проволочных проводников внутри корпусов компонентов, форму и
пористость полученных паяных соединений, наличие замыканий и растекание
припоя и многое другое.
Неоспорима эффективность применения такого рентгеновского контроля на
этапе отработки конструкции и технологии изделий, при периодическом контроле
устойчивости технологии, при переходе на новый материал и при смене
номенклатуры ЭМ и в спорных случаях при анализе возможных дефектов в
рекламационной практике.
6.5. Общие требования к оборудованию и организации производства
В условиях современного производства РЭА каждая единица оборудования
не существует в отдельности от общей структуры предприятия. В интересах
достижения наилучшего качества продукции и оптимальных экономических
показателей необходимо соблюдать ряд требований, общих для любого
оборудования.
Системы управления оборудованием для монтажа ЭКБ широкой
номенклатуры должны обеспечивать одновременное отслеживание текущих
134
операций и подготовку программ для сборки последующих изделий.
Все процедуры перестройки оборудования требуют повышенного внимания
не только из-за значительных временных затрат, но и по причине возможных
существенных потерь от ошибок. Возможность быстрой перестройки на другую
топологию изделия, иной размер платы и новый набор компонентов – это,
пожалуй, один из ключевых параметров для большинства предприятий
отечественной радиоэлектронной отрасли. Вложение средств в эту функцию в
дальнейшем окупается отсутствием простоев и снижением требований к
обслуживающему персоналу.
Технология групповой пайки ЭКБ с применением припойных паст
характерна единством требований и условий её реализации при изготовлении
аппаратуры любого назначения, что является положительным фактором в
условиях многономенклатурного производства.
Ключевым условием успешной работы современного сборочного
производства на основе технологии автоматизированного поверхностного
монтажа ЭКБ на платы электронных модулей является применение оборудования,
обеспечивающего регулируемость, контролируемость и управляемость
реализуемых процессов, минимизация влияния субъективных факторов.
Особенностью современных наукоёмких радиоэлектронных производств
является их комплексность, высокий уровень требований не только к основному
технологическому оборудованию, но и к специальным инженерным системам по
подготовке чистых технологических сред, утилизации жидких и газообразных
отходов, системам глубокой автоматизации всего производственного комплекса,
несущим и ограждающим конструкциям производственных помещений,
принципам организации труда персонала, обеспечению энергоэффективности
всех процессов [122].
В интересах достижения высокого качества продукции и бесперебойного
функционирования оборудования необходимо обеспечить в производственном
помещении комплекс требований, предъявляемых к чистым помещениям [123].
Параметры микроклимата и запылённости на участках подготовки припойных
паст, нанесения пасты, установки компонентов на платы с нанесённой припойной
пастой должны соответствовать требованиям 8 ИСО [124].
135
Глава 7. Современные отечественные материалы для получения надёжных
паяных соединений радиоэлектронных компонентов
с бессвинцовыми и свинецсодержащими покрытиями выводов
По результатам проведённых в ОАО «Авангард» исследований процессов
формирования паяных соединений радиоэлектронных компонентов широкой
номенклатуры с использованием элементов бессвинцовых технологий, был
выявлен ряд требований к материалам для качественной реализации процессов
монтажа и обеспечения высокого качества соединений, необходимого для
эксплуатации в жёстких условиях [125].
В отечественной практике к моменту широкого применения элементов
бессвинцовых технологий отсутствовали отечественные материалы для пайки
соответствующего качества, полностью удовлетворяющие всей гамме
требований, предъявляемых к материалам в условиях совместного
автоматизированного монтажа отечественных и импортных радиоэлектронных
компонентов. Была поставлена и к 2015 году решена задача создания комплекта
соответствующих материалов, учитывающих весь комплекс сложившихся
условий и обстоятельств.
7.1. Припойные пасты
Несколько слов о терминологии. В литературе и на практике встречаются
несколько наименований материала, который рассматривается в данном разделе.
Паста может называться «паяльной», иногда встречается термин «лудящая», но
чаще всего в современной отечественной литературе употребляется термин
«припойная». Отличие указанных терминов заключается в указании на основное
предназначение пасты: паяльная – для соединения деталей пайкой; лудящая – для
лужения поверхностей; припойная – и для лужения и для пайки.
Термин «припойная» является более общим и представляется более
правильным, что и закреплено в действующем и общепринятом в нашей стране
стандарте на материалы для пайки ОСТ 4Г 0.033.200 Припои и флюсы для пайки,
припойные пасты. Марки, состав, свойства и область применения [126].
Припойная паста представляет собой композицию, состоящую из
сферических шариков припоя и флюс-связки. Флюс-связка, в свою очередь,
представляет собой сложный материал, в котором состав и свойства компонентов
взаимно влияют и корректируют действие друг друга.
Основные физико-химические и технологические свойства припойных паст,
принимаемые во внимание при работе с припойной пастой, представлены на
136
Рисунке 7.1.
Рисунок 7.1. Основные свойства припойных паст
В процессе оценки качества припойной пасты и отработки технологии
монтажа компонентов важно вести контроль основных параметров образцов
пасты. При этом используются следующие методы и приёмы.
Определение вязкости припойной пасты.
Параметр «вязкость» влияет на качество прохождения пасты через
отверстие в трафарете (либо иглу дозатора) и на растекаемость отпечатка
припойной пасты.
Определение вязкости припойной пасты производится методом вращения
Т-образного шпинделя (применимо для диапазона вязкости 300000 - 1600000 сП)
в соответствии со стандартом IPC-TM-650, раздел 2.4.34 Solder Paste Viscosity—
T-Bar Spin Spindle Method (Вязкость припойной пасты – метод вращающегося Тобразного шпинделя) с использованием вискозиметра Брукфильда или его
эквивалента с реверсивным штативом и самописцем. Скорость вращения
шпинделя 5 об/мин.
Определение содержания кислорода в порошке припоя.
Степень окисленности порошка припоя отвечает за практическую
возможность коалесценции отдельных частиц в общую каплю расплавленного
припоя в месте формирования паяного соединения и количество продуктов
реакции флюса с окислами, что сказывается на качестве отмывки после пайки.
137
Метод определения содержания кислорода заключается в сплавлении
навески порошка припоя с канифолью при нагревании в тигле, помещённом в
сушильный шкаф. Масса порошка припоя берётся 30 г с погрешностью не более
0,01 г. Навеска канифоли берётся массой не менее 15 г. Нагрев смеси
производится при температуре от 260 до 275 0С при периодическом
перемешивании до полного расплавления припоя, плюс ещё 30 минут. При этом
припой выплавляется в виде королька, а кислородсодержащие соединения
переходят в шлак. Анализ проводят по корольку припоя, который отделяют от
шлака и взвешивают.
Содержание кислорода (Х) в процентах вычисляют по формуле:
Х=(30-m)*0,212*100/30,
где m – масса королька, г;
0,212 – коэффициент пересчёта оксидов олова и свинца на кислород;
30 – навеска порошка припоя
Анализ проводят по двум параллельным навескам. Содержание кислорода
рассчитывают как среднее арифметическое значение двух определений.
Содержание кислорода в порошке припоя качественной припойной пасты не
должно превышать 0,05%.
Определение металлической составляющей.
В процессе разработки создатели припойной пасты стремятся
максимизировать значение показателя металлической составляющей до тех пор,
пока сохраняются на достаточном уровне технологические параметры пасты.
Достижимый уровень параметра находится около значения 90%. Определение
металлической составляющей припойной пасты производится по стандарту IPCTM-650, раздел 2.2.20.
Определение коррозии медного зеркала под действием пасты.
Показатель коррозионной активности флюса-связки пасты определяется для
подтверждения отсутствия коррозионного воздействия на элементы конструкции
электронных модулей и радиоэлектронных компонентов. Коррозия медного
зеркала определяется на основе методики, изложенной в стандарте IPC-TM-650,
раздел 2.3.32.
Медное зеркало состоит из медной плёнки, напылённой в вакууме с одной
стороны полированного стекла. Толщина медного покрытия должна составлять
(5000±500) Å.
Оксидные плёнки с меди удаляются погружением медного зеркала в 5 %
раствор карбоната натрия по ГОСТ 5100-85 (или этилендиамин-N-тетрауксусной
кислоты динатриевую соль, 2-водную (ЭДТА) по ГОСТ 10652-73) на 2 с. Затем,
138
зеркало отмывается в проточной деионизованной воде и помещается в чистый
изопропиловый спирт на 2 с. Далее следует сушка на воздухе.
Припойная паста наносится через трафарет непосредственно на поверхность
медного зеркала, таким образом, чтобы толщина нанесённой пасты была около
0,5 мм, а диаметр 12,0 мм. Пипеткой добавляется на зеркало капля флюса,
состоящего из 35 % раствора бесцветной канифоли в изопропиловом спирте
ГОСТ 9805-84.
Подготовленный таким способом образец помещается в горизонтальном
положении (медным зеркалом вверх) в чистое помещение при относительной
влажности 50± 5 % и температуре 23±2 ºС на время 24±0,5 ч.
По истечение 24±0,5 ч , остатки флюса и припойной пасты с поверхности
зеркала удаляется погружением в чистый (99%) изопропиловый спирт.
После этого медное зеркало исследуется на наличие белых осадков,
образовавшихся в результате взаимодействия пасты с медью. Принята следующая
классификация флюсов-связок по степени их воздействия на медь:

Медь удалена не была - Класс L

Удалено менее 50 % меди - Класс М

Удалено более 50 % меди - Класс Н
Испытание считается пройденным, если флюс-связка припойной пасты
соответствует L-классу активности.
Определение осадки припойной пасты и влияния остатков флюса на
поверхностное сопротивление изоляции.
Методика определения данных показателей изложена ранее в п. 4.1. Для этих
целей производится испытание отпечатков пасты на тестовых фрагментах
печатных плат.
В процессе отработки технологии монтажа компонентов принимается во
внимание ряд свойств пасты, определяющие возможность эффективного её
применения. К таким свойствам относятся следующие:
Тиксотропия (тиксотропность) (от греч. θίξισ — прикосновение и τροπέ —
изменение) — способность субстанции уменьшать вязкость (разжижаться) от
механического воздействия и увеличивать вязкость (сгущаться) в состоянии
покоя. Этот показатель характеризует способность пасты проникать через мелкие
отверстия трафарета в момент приложения усилия к ракелю и незамедлительно
фиксироваться после снятия давления.
Температура кипения растворителя и его летучесть – влияет на скорость
испарения растворителя и связана с таким технологическим параметром, как
время жизни припойной пасты. При несоответствующем растворителе припойная
139
паста может высохнуть слишком быстро. При высыхании пасты увеличивается её
вязкость, она начинает прилипать к ракелю, забивать отверстия в трафарете.
Время жизни припойной пасты – это время, в течение которого припойная
паста сохраняет свои свойства (клейкость, вязкость, тиксотропность и т.д.).
Основной фактор, влияющий на время жизни пасты – это скорость испарения
растворителя и соблюдение температурного режима в процессе использования
припойной пасты. Как правило, температура применения пасты до оплавления не
должна превышать 25 ºС.
Клейкость – это сила сцепления (удержания) компонентов на поверхности
отпечатка пасты. Основным фактором, влияющим на клейкость – это скорость
испарения растворителя. Клейкость взаимозависима от времени жизни пасты и
стойкости пасты к осадке, которые также зависят от скорости испарения
растворителя. Для увеличения времени клейкости припойной пасты желателен
высококипящий растворитель, однако высококипящие растворители снижают
стойкость пасты к осадке. Для сбалансированности состава по клейкости,
вязкости, осадке и совместимости с другими компонентами пасты
предпочтительно применение нескольких растворителей.
Стойкость к осадке – одна их наиболее важных характеристик припойной
пасты. Различают несколько причин осадки припойной пасты:
- недостаточная тиксотропность, паста имеет «ползучесть», характерную для
высоковязких веществ;
- осадка при нагреве, вызванная несбалансированным составом, в частности,
наличием в составе большого количества сильного высококипящего
растворителя, под действием которого смолы, активаторы и тиксотропные агенты
начинают размягчаться, уменьшая вязкость, а в худшем случае, могут начать
растворяться тиксотропные компоненты.
Паяемость – свойство поверхности (контактной площадки, вывода
компонента, провода или другой контактной поверхности), характеризующееся
способностью смачиваться расплавленным припоем и образовывать прочное
паяное соединение. Качество пайки в значительно мере зависит от смачивания,
при котором жидкий припой растекается по поверхности контактных площадок и
выводов электронных компонентов. Смачиваемость определяется поверхностным
натяжением и является измеряемой величиной и практически определяется по
форме капли, которая зависит от свойств жидкости (жидкого припоя) и твёрдого
тела. Угол в точке касания жидкости с твёрдой поверхностью называется краевой
угол смачиваемости. Чем меньше краевой угол, тем лучше смачивание твёрдой
поверхности
жидкостью.
На
смачиваемость
поверхности
контактов
радиоэлектронных компонентов влияет образующаяся на металлических
поверхностях оксидная плёнка. Оксидную плёнку можно убрать химическим
140
способом при взаимодействии с ней флюса и активатора. Продуктами реакции
удаления окислов являются соли. Находящиеся во флюс-связке основа и
растворители растворяют соли, удаляют их из зоны пайки и предотвращают
повторное окисление поверхности металла. Эффективность смачивания связана
со скоростью и энергичностью снятия оксидной плёнки. Галоген содержащие
активаторы (содержащие в своем составе минеральные кислоты) обладают
высокой эффективность (активностью) смачивания, но вызывают активное
взаимодействие с металлами и, как следствие, коррозию. Органические кислоты
менее эффективны (активны), но взаимодействуют селективно только с оксидами
и не вызывают значительной коррозии.
В ассортименте многономенклатурного производства радиоэлектронной
аппаратуры, рассчитанной на функционирование в жёстких условиях, необходимо
иметь несколько припойных паст с разной активностью (для работы на различных
коммутационных платах с разным покрытием контактных площадок и с разными
покрытиями выводов ЭКБ) и разным размером частиц припойного порошка (в
зависимости от размеров выводов ЭКБ).
Целесообразно иметь в арсенале пасты типа ROLO (буквы RO означают
rosin – канифоль) и типа RELO (буквы RE означают resin – смола или
синтетическая канифоль).
В результате проведенных исследований в ОАО «Авангард» была решена
задача по разработке двух базовых составов припойных паст: тип ROL0 и тип
REL0. Составы припойных паст защищены патентами [127, 128]. Изменение в
базовом составе марки оловянно-свинцового эвтектического припоя и размера
частиц припойного порошка, позволяет создавать пасту для конкретного
применения, адоптированную к особенностям ЭКБ и применяемого
оборудования.
В результате модификации двух базовых составов созданы и освоены в
серийном производстве припойные пасты 8-ми наименований. Совместно с
преобразующей пастой для подготовки бессвинцовых шариковых выводов
компонентов в корпусах типа BGA, указанные восемь наименований паст
включены в соответствующую нормативно-техническую документацию [126].
Марки, состав и область применения припойных паст представлены в
Таблице 7.1.
Физико-химические свойства, такие как вязкость, тиксотропия, активность,
отмывочная способность остатков флюс-связки - обеспечивают достаточный
уровень технологических параметров для использования в процессе
формирования контактов разнообразных радиоэлектронных компонентов, как
отечественных, так и импортных, при их монтаже на различных коммутационных
платах в аппаратуру ответственного назначения.
141
Припойные пасты слабоактивированные, некоррозионные, не содержат
галогенов. Остатки легко удаляются моющими растворами на органической и
полуводной основе. Все вещества, входящие в состав припойных паст, не имеют
запаха.
Таблица 7.1.
Марки, состав и область применения припойных паст
Нормативн
ый
документ
Марка
пасты
ППК-63-3-90А
ППС-63-3-90А
ППК-62-3-90А
ППК-63-4-90А
ППС-63-4-90А
ППК-62-4-90А
25-45
Sn62/Pb36/Ag2
Sn63/Pb37
20-38
Sn62/Pb36/Ag2
ППС-62-4-90А
ППП-7,5-4-92А
состав
Sn63/Pb37
ТУ 1723-00107518266–2009
ППС-62-3-90А
Размер
частиц
порошка,
мкм
Припой
ТУ 172300207518266–
2013
Sn7,5/Pb92,5
20-38
Область применения
Пайка оплавлением при
автоматизированном и
механизированном
поверхностном
монтаже печатных узлов РЭА
Пайка оплавлением при
автоматизированном и
механизированном поверхностном
монтаже печатных узлов РЭА с
микрочип-компонентами (менее 0402)
и микросхемами с малым
(≤0,5 мм) шагом
Подготовка компонентов с матрично
расположенными выводами типа BGA
и CSP в бессвинцовом исполнении к
последующему монтажу с
применением традиционных
оловянно-свинцовых припоев
Разработанные припойные пасты являются основой для дальнейших
исследований по поиску возможностей увеличения срока хранения, времени
жизни, улучшения реологических свойств, а так же модификации паст с целью
получения водосмываемых и безотмывных составов для использования в
гражданской аппаратуре.
7.2. Флюсы для получения надёжных паяных соединений
В силу особенностей конструктивно-технологического исполнения ЭКБ,
применяемой в современной РЭА, в подавляющем большинстве случаев нельзя
обойтись только поверхностным монтажом при сборке электронных модулей. Как
правило, имеется необходимость дополнительных селективных (в определённых
местах, а не по всей поверхности платы) паек при монтаже компонентов в
отверстия коммутационных плат, при монтаже жгутов, шлейфов, разъёмов. Эти
дополнительные операции производятся после поверхностного монтажа ЭКБ. В
142
этой связи, применяемые при селективной пайке материалы и методы не должны
негативно сказываться на ранее установленных компонентах, ранее выполненных
паяных соединениях и коммутационных платах.
Одним из потенциально опасных факторов, несущим угрозу снижения
надёжности радиоэлектронным компонентам и другим составляющим
электронных модулей являются флюсы, используемые на операциях селективной
пайки и финишной сборки.
Качественное паяное соединение, можно получить, только в том случае,
если между паяемыми металлами возникла взаимная диффузия и образовался
переходный слой из интерметаллических соединений, твёрдых растворов одного
металла в другом или эвтектики двух металлов. Для взаимной диффузии металлов
необходимо обеспечить контакт поверхностей этих металлов.
Имеющаяся, в обычных условиях, на поверхности металлов оксидная
плёнка препятствует металлам взаимодействовать друг с другом. Кроме того,
оксидный слой влияет на смачиваемость одних металлов расплавами других.
Для удаления оксидных плёнок в процессе пайки, а также защиты
очищенного металла от воздействия кислорода воздуха, используются флюсы.
В задачи флюсов, применяемых при селективной пайке, входит:
- удаление оксидных плёнок на контактных площадках коммутационной
платы и на выводах компонентов без растворения основных металлов;
- изоляция очищенной поверхности металла от дальнейшего окисления;
- стимуляция смачивания металлов друг другом, т.е. обеспечение возможно
низкого значения поверхностного натяжения на границе металл 1 – металл 2 –
флюс;
- растворение и вывод из зоны контакта металлов ионов металлов,
образующихся в процессе химического удаления слоя оксидов;
- сохранение сопротивления изоляции диэлектрических элементов
конструкции ЭКБ и ЭМ;
- обеспечение лёгкой удаляемости как самих флюсов, так и продуктов
химических реакций, происходящих в процессе пайки.
Требования, предъявляемые к разрабатываемым флюсам сформулированы
исходя из необходимости обеспечить формирование высоконадёжных контактов
радиоэлектронных компонентов широкой номенклатуры в условиях применения
элементов бессвинцовых технологий и с учётом рекомендаций стандарта IPC JSTD-004.
В интересах решения всего комплекса задач, стоящих перед флюсами при
сборке РЭА с использованием элементов бессвинцовых технологий необходимо в
арсенале иметь флюсы трёх типов, в том числе:
- ROL0 – флюсы на основе канифоли, слабоактивированные, с содержанием
143
галогенов 0 %;
- REL0 – флюсы на основе синтетической канифоли и смол,
слабоактивированные, с содержанием галогенов 0 %;
- ORL0 – флюсы на основе органических веществ, слабоактивированные, с
содержанием галогенов 0 %.
В процессе исследований и отработки технологических процессов
изготовления флюсов в ОАО «Авангард» были установлены составы
слабоактивированных флюсов:
ФК-7А (ROL0):
Адипиновая кислота по ГОСТ 10558-80, сорт высший
1%
Изопропиловый спирт по ГОСТ 9805-84
84 %
Канифоль сосновая по ГОСТ 19113
15 %
ФС-3А (REL0):
Адипиновая кислота по ГОСТ 10558-80, сорт высший
Изопропиловый спирт по ГОСТ 9805-84
Смола Foral 85
1-Деканол по ТУ 6-09-1514-75
2%
75 %
16 %
7%
ФО-5А (ORL0)
Адипиновая кислота по ГОСТ 10558-80, сорт высший
Изопропиловый спирт по ГОСТ 9805-84
Дибутиловый эфир фталевой кислоты по ГОСТ 8728-88
Диэтиловый эфир фталевой кислоты по CAS-номер 84-66-2
2%
18 %
20 %
50 %
Составы флюсов защищены патентами [129 – 131].
Физико-химические свойства флюсов обеспечивают достаточный уровень
технологических параметров для использования в процессе формирования
контактов разнообразных радиоэлектронных компонентов, как отечественных,
так и импортных, при их монтаже методами селективной или волновой пайки на
различных коммутационных платах в аппаратуру ответственного назначения.
Параметры созданных флюсов не уступают лучшим зарубежным аналогам.
Слабоактивированные флюсы - некоррозионные, не содержат галогенов.
Остатки легко удаляются моющими растворами на органической и полуводной
основе. Все вещества, входящие в состав флюсов, либо не имеют запаха, либо
имеют слабый запах.
Созданные в ОАО «Авангард» флюсы 3-х наименований (См. Таблицу 7.2.)
освоены в серийном производстве и включены в соответствующую нормативнотехническую документацию [126].
144
Таблица 7.2.
Марка
флюса
Группа флюса
Канифольный,
некоррозионный,
водонесмываемый
Синтетический,
некоррозионный,
водонесмываемый
Органический,
некоррозионный,
водонесмываемый
ФК-7А
ФС-3А
ФО-5А
Нормативный
документ
Применяемость
Паяемый
металл
(покрытие)
ТУ 1718-001-07518266-2009
Марки и область применения флюсов
Селективная
пайка и пайка
волной при
монтаже
электронных
модулей РЭА для
жестких условий
эксплуатации.
Оловянносвинцовое,
оловянновисмутовое
покрытие,
иммерсионное
золото, серебро
и олово
7.3. Современные отмывочные жидкости
Технологические процессы формирования контактов радиоэлектронных
компонентов с применением припойных паст и флюсов при производстве
аппаратуры, рассчитанной на функционирование в жёстких условиях,
подразумевают применение процедур удаления остатков паст и флюсов, а так же
других загрязнений, которые в процессе эксплуатации электронной аппаратуры
могут оказать негативное воздействие на их надежность. В большинстве случаев
процесс удаления загрязнений связан с использованием специальных отмывочных
(очищающих) жидкостей.
Чтобы сделать процесс удаления загрязнений максимально эффективным и
выбрать наилучшее очищающее средство важно учитывать состав реальных
загрязнений
на
изготавливаемых
изделиях.
Типовые
загрязнения
радиоэлектронной продукции представлены в Таблице 7.3.
Общепринятое эмпирическое правило при очистке заключается в том, что
сборки с ионными загрязняющими веществами следует чистить ионными
растворами. Неионные загрязняющие вещества на изделиях следует либо
преобразовывать в ионные и очищать изделия ионными растворами, либо чистить
эти изделия неионными растворами. Большинство загрязнений в виде частиц
легко удаляются любыми жидкостями, за исключением остатков в виде
припойных шариков.
145
Таблица 7.3.
Загрязняющие вещества изделий радиоэлектроники
Ионные
Неионные
Частицы
Активаторы флюса
Канифоль
Пыль
Соли пота
Жир
Припойные шарики
Отпечатки пальцев
Смолы
Стекловолокно
Вода
Смазка от узлов
Металл
оснащения
Остатки электролитов от Косметика на руках
Пластик
процессов производства
оператора
печатных плат.
Ионные загрязняющие вещества несут в себе наиболее серьезную проблему,
поскольку в результате воздействия на них атмосферной влаги в течение
эксплуатации аппаратуры они распадаются с возможным образованием
электролитов. такие загрязнения необходимо удалять.
Неионные загрязняющие вещества не так важно удалять из-за
незначительного воздействия на них атмосферной влаги, но они могут
препятствовать процессам электрического тестирования и правильному
функционированию изделий, создавая изолирующие пленки на контактных
площадках, соединителях и подобных им элементах. Поэтому, с большинства
сборок их также желательно удалять.
Ионные растворители обычно основаны на воде, иногда с добавлением
спиртов или детергентов. Неионные растворы обычно создаются на основе какихлибо органических растворителей.
Основы отмывочных жидкостей можно классифицировать по их
химическому типу:
- фреоны;
- галогенизированные фреоны;
- органические растворители;
- полуводные растворители;
- вода.
До последнего времени по причине относительной дешевизны и получения
высокого качества очистки изделий наиболее популярны были фреоны, особенно
на зарубежных предприятиях. Даже после того, как обнаружилось, что фреоны
разрушают озоновый слой в стратосфере Земли, они частично сохранили свои
позиции, поскольку имеют несколько преимуществ над своими альтернативными
вариантами, включая следующее:
- очищенные сборки выходят из очистительной установки сухими;
146
- низкая токсичность;
- невоспламеняемость.
В электронной промышленности фреоны раньше рассматривались как
идеальные очищающие средства. Но глобальная проблема разрушения озонового
слоя Земли возникшая с их применением, и последовавшие в 1987 году
требования Монреальского Протокола побудили промышленность искать
альтернативы.
Галогенизированные фреоны могли бы быть эффективной заменой для
фреонов, однако выяснилось, что они также уничтожают озон в стратосфере, хотя
это происходит в меньшей степени, поскольку они имеют более короткий срок
жизни в стратосфере. По этой причине их не предлагают для применения в
долгосрочной перспективе.
Органические очищающие средства представляют собой спирты, кетоны и
сложные эфиры, которые растворяют загрязнения, образующиеся после пайки.
Эти вещества применялись для очистки сборок в течение многих лет, задолго до
применения фреонов, и применяются до настоящего времени, особенно в
мелкосерийном производстве. Изопропиловый спирт, например, хорошо известен
и является эффективным растворителем для очистки остатков канифольных
флюсов.
Органические очищающие средства относительно недорогие и не наносят
серьёзного вреда окружающей среде. С другой стороны, их очистные
возможности не так велики, как у фреонов или галогенизированных фреонов, и, к
тому же, они воспламеняемые. Тем не менее, теперь, когда озоноразрушающие
химические реагенты должны постепенно выводиться из применения,
органические растворители снова, как и прежде, привлекают к себе внимание.
Современные очистительное оснащение и технологии могут преодолеть более
низкие очистительные возможности этих растворителей, а безопасные процедуры
обращения и применения могут минимизировать риск воспламенения.
Полуводные очищающие средства, несмотря на их название, ни каким
образом не смешивают с водой. Название просто относится к методу, в котором
они используются: сначала применяется растворитель для растворения
загрязняющих веществ на поверхности сборки, затем для смыва этой смеси
используется вода.
Растворители, используемые в полуводных очистительных технологиях,
основаны на номенклатуре типичных углеводородных и новых высококипящих
реагентах, разлагаемых микроорганизмами. Несмотря на то, что они имеют
эффективные очистные характеристики, многие из них могут быть
воспламеняемы, поэтому эти особенности должны учитываться в конструкции
установок полуводной очистки, чтобы в достаточной степени ограничивать
147
выбросы. Новейшие разрабатываемые реагенты улучшат очищающие
характеристики и снизят воспламеняемость.
Полуводные очистные растворители не содержат хлор, поэтому они не
воздействуют на окружающую среду подобно тому, как это делают фреоны.
Кроме того, у них довольно низкое давление насыщенных паров, поэтому
атмосферные выбросы минимальны.
Вода (или вода с добавлением реагентов) может представлять собой
удовлетворительное очищающее средство, в зависимости от состава
загрязняющих веществ. Вода является идеальным растворителем для ионных
загрязняющих веществ и для тех флюсов, чьи остатки являются
водорастворимыми. Кроме того, некоторые неионные загрязняющие вещества,
такие как остатки канифольных флюсов, могут успешно удаляться водными
растворами. В этих случаях в воду добавляют щелочь и используют ее для
удаления загрязнения путем преобразования канифоли в водорастворимое или, по
меньшей мере, водосмываемое вещество, называемое канифольным мылом.
Полученное канифольное мыло затем удаляется водой. Реакция, необходимая для
преобразования канифоли в канифольное мыло, известна как омыление. Этот
метод становится широко популярным из-за его экологической чистоты.
Несмотря на преимущества относительной простоты, которые предлагают
водные (и в этом отношении, полуводные) очистительные технологии,
необходимо помнить о вреде, который может нанести изделиям сама вода.
Растворенные в воде соли, даже в весьма малых концентрациях, таких, которые
обнаруживаются в водопроводной воде, производят сильные эффекты ионной
диссоциации, собственно для предотвращения которой, и предназначена очистка.
Благодаря капиллярным эффектам, загрязнения могут попасть внутрь
компонентов. Поэтому после завершающей промывки в деионизированной воде
требуется тщательное просушивание.
Учитывая изложенное и принимая во внимание ориентацию на создание
перспективной серийной технологии автоматизированного производства
радиоэлектронных изделий, была поставлена задача проведения исследований и
разработки отмывочных жидкостей для водной и полуводной очистки.
Поставленная
задача
по
созданию
отмывочных
жидкостей,
обеспечивающих удаление остатков припойных паст и флюсов, используемых
при совместном монтаже широкой номенклатуры ЭКБ ОП и ЭКБ ИП в условиях
применения
элементов бессвинцовых
технологий при изготовлении
радиоэлектронной аппаратуры повышенной надёжности в условиях жёстких
внешних воздействий, была реализована коллективом специалистов ОАО
«Авангард» и его дочернего предприятия ООО «Авангард – Такт».
В результате проведенного комплекса исследований, разработки составов и
148
соответствующих технологий и проведённых испытаний были созданы
отмывочные жидкости (ОЖ) марок ОЖ-21А («Лира») и ОЖ-27А («Вега»),
разработаны и утверждены соответствующие Технические условия ТУ 2381-00107518266-2009. Компоненты состава отмывочных жидкостей представлены в
Таблице 7.4.
Таблица 7.4.
Состав отмывочных жидкостей
Тип отмывки
водная
полуводная
Условные
обозначения ОЖ
Компоненты состава ОЖ
ОЖ-27А
(«Вега»)
Бутилцеллозольв
Бутилкарбитол
Триэтаноламин
Пропиленгликоль
ОЖ-21А
(«Лира»)
Этилкарбитол
Диацетоновый спирт
Бутанол
Этиленгликоль
Триэтаноламин
Вновь разработанные отмывочные жидкости ОЖ-21А («Лира») и ОЖ-27А
(«Вега») введены в соответствующую нормативно-техническую документацию
[132].
Экспериментальные работы, апробация в серийном производстве на ряде
предприятий радиоэлектронной промышленности показали высокое качество
удаления остатков припойных паст и флюсов созданными отмывочными
жидкостями, как при струйной очистке, так и при ультразвуковом методе
очистки.
Разработанный в ОАО «Авангард» комплект из перечисленных припойных
паст, флюсов и отмывочных жидкостей обеспечивает совместный
автоматизированный монтаж отечественной и импортной ЭКБ, в том числе с
применением элементов бессвинцовых технологий, с формированием надёжных
паяных соединений в РЭА, отвечающей требованиям эксплуатации в жёстких, в
том числе аэрокосмических, условиях.
149
Заключение
В настоящем издании представлены результаты исследований, проведённых
в ОАО «Авангард» (Санкт-Петербург), в области формирования контактов
широкой номенклатуры радиоэлектронных компонентов при их монтаже на
коммутационные платы с использованием бессвинцовых и свинецсодержащих
материалов при производстве аппаратуры повышенной надёжности, в том числе
аэрокосмического назначения, в условиях жёстких внешних воздействий.
В процессе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ
выявлены закономерности, позволившие создать технологии и комплект
отечественных материалов для автоматизированного монтажа компонентов,
сформулировать рекомендации для разработчиков и производителей
соответсвующей радиоэлектронной продукции, направленные на решение важной
народнохозяйственной задачи - обеспечение повышенной надёжности РЭА в
условиях использования значительной доли ЭКБ ИП в бессвинцовом исполнении.
Основные результаты разработок включены в действующие стандарты по
материалам для пайки [126] и моющие средства [132], а также в ГОСТ Р 564272015
Пайка
электронных
модулей
радиоэлектронных
средств.
Автоматизированный смешанный и поверхностный монтаж с применением
бессвинцовой и традиционной технологии. Технические требования к
выполнению технологических операций [133]. В разработанные рекомендации,
кроме прочего, включён ряд требований, почерпнутых из иностранной
документации и прошедших проверку на соответствие условиям производства
отечественной радиоэлектронной продукции и требующих введения в
отечественный научный и практический оборот.
Изложенные материалы позволяют ознакомиться с передовыми
разработками в области создания прогрессивных технологий сборки электронных
средств и приборов, представляют интерес для студентов соответствующих
специальностей и специалистов радиоэлектронных и приборостроительных
предприятий.
150
Список литературы
1. Государственная
программа
«Развитие
электронной
и
радиоэлектронной
промышленности на 2013 – 2025 годы». Утверждена Распоряжением Правительства РФ
от 15.12.2012г. № 2396-р
2. Путин, В. В. Выступление на совещание по развитию микроэлектроники 29 сентября
2015
г.
[Электронный
ресурс]
–
Режим
доступа:
http://kremlin.ru/events/president/news/50397. Дата обращения 25.03.2016.
3. DIRECTIVE 2002/95/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL
of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical
and electronic equipment // Official Journal of the European Union, 13.2.2003. – P. L37/19 –
L37\23.
4. Григорьев, В. Бессвинцовая технология — требование времени или прихоть
законодателей от экологии? / В. Григорьев // Электронные компоненты. – 2001. – №6. –
С. 72 – 78.
5. Парфенов, А. Н. Еще раз о европейской «бессвинцовщине» / А. Н. Парфёнов //
Технологии в электронной промышленности. – 2006. – № 5. – С. 60 – 61.
6. Медведев, А. М. Бессвинцовые технологии монтажной пайки. Что нас ожидает? / А. М.
Медведев // Электронные компоненты, – 2004. – № 11. – С. 29 – 34.
7. Schubert, A. Lead-free solder interconnects: characterization, testing and reliability / Schubert
A., Dudek R., Doring R., Walter H., Auerswald E., Gollhardt A., Schuch B., Sitzmann H.,
Michel B. // Proceedings, 3rd International Conference on Benefiting from Thermal and
Mechanical Simulation in Microelectronics, EuroSIME 2002, Paris, France, April 15–17,
2002. – pp. 62 – 72.
8. Clech, J. P. Lead-Free and Mixed Assembly Solder Joint Reliability Trends / J. P. Clech //
APEX SMEMA Council Designer Summit. – 2004. – 14 p.
9. ОСТ107.460092.024-93 Пайка электромонтажных соединений радиоэлектронных
средств. Общие требования к типовым технологическим процессам. – М.:
Радиостандарт-ЦНИИРЭС, 1994. – 104 с.
10. ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники на
печатные платы. Общие требования и нормы конструирования. – М.: Издательство
стандартов, 1992. – 48 с.
11. Иванов-Есипович, Н. К. Технология микросхем / Н. К. Иванов-Есипович. – М.: Высшая
школа, 1972. – 256 с.
12. Иванов-Есипович, Н. К. Физико-химические основы производства радиоэлектронной
аппаратуры / Н. К. Иванов-Есипович. – М.: Высшая школа, 1979. – 104 с.
13. Иванов-Есипович, Н. К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной
аппаратуры / П. П. Гелль, Н. К. Иванов-Есипович. – Л.: Энергоатомиздат.
Ленинградское отделение, 1984 — 536 с.
14. Лашко, С. В. Пайка металлов. Изд. 4-е, перераб. и доп./ С. В. Лашко, Н. Ф. Лашко – М.:
Машиностроение, 1988. –376 с.
15. Лашко, Н. Ф. Контактные металлургические процессы при пайке / Н. Ф. Лашко, С. В.
Лашко. – М.: Металлургия, 1977. – 192 с.
16. Высоцкий, Б. Ф. Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем,
микросборок и аппаратуры на их основе / Г. В. Алексеев, Б. Ф. Высоцкий, А. С.
Назаров, А. В. Фомин и др.; под ред. Б. Ф. Высоцкого. – М.: Радио и связь, 1981. – 214
с.
17. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры / А. Г. Алексенко, С. С.
Бадулин, Л. Г. Барулин; под ред. Б. Ф. Высоцкого. – М. : Сов.радио, 1978. – 351 с.
18. Коледов, Л. А. Конструирование и технология микросхем /Л. А. Коледов. – М.: Высшая
школа, 1984, – 229 с.
151
19. Коледов, Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и
микросборок / Л. А. Коледов. – СПб.: Лань, 2009. 400 с.
20. Кузнецов, О. А. Конструктивные и технологические способы повышения прочности
паяных соединений элементов ИС при теплосменах / О. А. Кузнецов, А. И. Погалов, В.
С. Сергеев. // Обзоры по электронной технике. Сер.3, Микроэлектроника. – 1984. –
Вып. 2. – 36 с.
21. Кузнецов, О. А. Прочность паяных соединений / О. А. Кузнецов, А. И. Погалов, – М.:
Машиностроение, 1987. – 112 с..
22. Кузнецов, О. А. Напряжения и деформации в элементах микросхем / В. С. Сергеев, О.
А. Кузнецов, Н. П. Захаров, В. А. Летягин. – М.: Радио и связь, 1987. – 89 с..
23. Назаров, А. С. Конструирование радиоэлектронных средств / В. Ф. Борисов, О. П.
Лавренов, А. С. Назаров, А. Н. Чекмарев; под ред. Назаров А. С. – М. : Изд-во МАИ,
1996. – 376 с.
24. Парфенов, А. Н. Низкотемпературные припои и флюсы. Справочник по пайке под ред.
И. Е. Петрунина. Изд. 3-е, гл. 4. М.: Машиностроение, 2003. – 479 с.
25. Парфенов, А. Н. Прочность соединений при пайке двухфазными припоями / Л. В.
Парфенова, А. Н. Парфенов и др. // Сварочное производство. – 1976. – № 1. – С. 54 –
57.
26. Парфенов, А. Н. Рентгеноспектральный анализ паяных соединений / А. Н. Парфенов //
Сварочное производство. –2002 . – № 12 . – С. 22 – 26.
27. Парфенов, А. Н. Введение в теорию прочности паяных соединений, ч. 1. / А. Н.
Парфёнов // Технологии в электронной промышленности. – 2008. – № 2. – С. 46 – 52.
28. Парфенов, А. Н. Введение в теорию прочности паяных соединений, ч. 2. / А. Н.
Парфёнов // Технологии в электронной промышленности. – 2008. – № 3. – С. 20 – 23.
29. Блинов, Г. А. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных
микросхемах / И. Н. Воженин, Г. А. Блинов, Л. А. Коледов и др. – М.: Радио и связь,
1985. – 264 с.
30. Блинов, Г. А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры / Г. Я. Гуськов, Г. А. Блинов, А.
А. Газаров. – М.: Радио и связь, 1986. – 176 с.
31. Медведев, А. М. Форум по бессвинцовым технологиям пайки / А. М. Медведев //
Технологии в электронной промышленности, – 2007. – № 3. – С. 14 – 20.
32. Медведев, А. М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А. М. Медведев. – М.:
Техносфера, 2005. – 304 с
33. Медведев, А. М. Сборка и монтаж электронных устройств / А. М. Медведев. – М.:
Техносфера, 2007. –256 с.
34. Мэнгин, Ч.-Г. Технология поверхностного монтажа. Будущее технологиии сборки в
электронике / Ч.-Г. Мэнгин, С. Макклелланд.; перевод с англ. под ред. Л. А. Коледова.
– М.: Мир, 1990. – 276 с.
35. Engelmaier, W. in IPC-D-279, Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology
Printed Board Assemblies. IPC—Association Connecting Electronics Industries, July 1996.
36. Engelmaier, W., “How to Estimate Solder Joint Reliability, Part 1,” Global SMT &
Packaging, Vol. 7, No. 9, September 2007, pp. 60–64.
37. Engelmaier, W., “How to Estimate Solder Joint Reliability, Part 2,” Global SMT &
Packaging, Vol. 7, No. 10, October 2007, pp. 64–66.
38. Новоттник, М. Надёжность бессвинцовых электронных узлов / М. Новоттник, А.
Новиков // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – №1. – С. 54 – 57.
39. Новоттник, М. Паяемость бессвинцовых припоев / М. Новоттник, А. Новиков //
Технологии в электронной промышленности. – 2006. – №6. – С. 61 – 63.
40. ОСТ4.010.030-92
Установка навесных элементов на печатные платы.
Конструирование. Часть 2. – М.: Радиостандарт-ЦНИИРЭС, 1992. – 189 с.
41. ОСТ 107.460000.002-89 Модули электронные первого и второго уровней
радиоэлектронных средств. Методы конструирования. – М.: Радиостандарт-ЦНИИРЭС,
152
1990. – 142 с.
42. Ларин, В. П. Конструирование и производство типовых приборов и устройств:
Учеб.пособие / В. П. Ларин, Д. К. Шелест. – СПб.: СПбГУАП, 2005. – 378 с.
43. Меткин, Н. П. Автоматизация проектирования и производства микросборок и
электронных модулей / Н. П. Меткин, М. С. Лапин, Б. Н. Деньдобренко, И. А.
Доморацкий. – М.: Радио и связь, – 1986. – 280 с.
44. Производство печатных плат. / Составитель: Медведев А. М. // Сборник: Технологии в
производстве электроники. Часть I. – М.: МейкАП-Принт. 2005. – 369 с.
45. Руководство по разработке продуктов на основе многослойных керамических плат
выполненных по LTCC – технологии. [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.may.ru/zarcomp/atc/guidlines/ATC_ltcc_thin-film_feb_2004_RUS.pdf.
Дата
обращения 25.03.2016.
46. Гриднев, В. Н. Проектирование коммутационных структур электронных средств/ В. Н.
Гриднев, Г. Н. Гриднева //: учеб.пособие – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. –
344 с. : ил. (Библиотека «Конструирование и технология электронных средств» : в 25
кн. Кн. 7)
47. Хамер, Д. Технология толстопленочных гибридных интегральных схем / Д. Хамер, Дж.
Биггерс // Перевод с англ. под ред. Т. Д. Шермергора. – М.: Мир, 1975. – 496 с.
48. Технология тонких пленок (справочник). Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк.
1970. Пер. с англ.Под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. Т. 1. – М.: Советское радио,
1977. – 664 с.
49. Технология тонких пленок (справочник). Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк.
1970. Пер. с англ. Под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. Т. 2. – М.: Советское радио,
1977. – 768 с.
50.
Лапин, М. С. Технологические процессы и системы пайки радиоэлектронных модулей с
поверхностно монтируемыми изделиями / М. С. Лапин, Н. И. Казаков.– Л.: ЛДНТП,
1990, – 38 с.
51. Казаков, Н. И. Технология пайки монтажных соединений в производстве РЭА :
Учеб.пособие / Н. И. Казаков, В. М. Критский ; М-во радиопромышленности СССР,
Ин-т повышения квалификации руководящих работников и специалистов, 1989. – 129 с.
52. Джюд, М. Пайка при сборке электронных модулей. / М. Джюд, К. Бридли. – М.: ИД
Технологии, 2006. – 416 с.
53. Сускин, В. В. Основы технологии поверхностного монтажа / В. В. Сускин. – Рязань:
Изд-во Узорочье, 2001. — 160 с
54. Грачев, А. А. Конструирование электронной аппаратуры на основе поверхностного
монтажа компонентов / А.А. Грачев, А.А. Мельник, Л.И. Панов – М.: НТ Пресс, 2006. –
384с.
55. Материалы
сайта
Wikimedia.
Режим
доступа:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transistor_Count_and_Moore%27s_Law__2011.svg?uselang=ru. Дата обращения 27.10.2013.
56. Рабаи, Жан М., Чандракасан, Ананта, Николич, Боривож. Цифровые
интегральные схемы, 2-е издание.: Пер. с англ.– М.: ООО "И.Д. Вильямс", 2007. –
912 с.
57. Landman B. and Russo R., "On a Pin versus Block Relationship for Partitions of Logic
Graphs", IEEE Trans. on Computers, vol. C-20, pp. 1469 –1479, December 1971.
58. Bakoglu H., Circuits. Interconnections and Packaging for VLSI. Addison-Wesley, 1990.
– pp. 81 – 133.
59. Harper C., ed., Electronic Packaging and Interconnection Handbook. McGraw-Hill,
2000. – 261 p.
60. DIRECTIVE 2002/96/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE
COUNCIL of 27 January 2003 on waste electrical and electronic equipment (WEEE) //
153
Official Journal of the European Union, 13.2.2003. – P L27\24 – L27\38
61. Lead Exposure Reduction Act of 1992. – Законопроект Конгресса США H.R. 5730
(102nd) / Материалы библиотеки Конгресса США. [Электронный ресурс] – Режим
доступа: https://www.govtrack.us/congress/bills/102/hr5730. Дата обращения
25.03.2016.
62. Медведев, А. М. Покрытия под пайку / А. М. Медведев // Технологии в
электронной промышленности. – 2006. – № 2. – С. 4 – 7.
63. Иванов, Н. Н. Монтаж радиоэлектронных модулей с применением бессвинцовых
покрытий выводов ИЭТ / Н. Н. Иванов, В. Д. Ивин // Электроника: Наука,
Технология, Бизнес. Спецвыпуск. – 2008. – С. 30 – 34.
64. Нинг-Ченг-Ли. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов:
поверхностный монтаж, BGA, CSP Flip-Chip технологии. – М.: Издательский дом
«Технологии», 2006. – 392 с.
65. Калиниченко, Н. П. Атлас дефектов паяных соединений: учебное пособие / Н. П.
Калиниченко, М. О. Викторова – Томск, Изд-во Томского политехнического
университета, 2012. – 83 с.
66. ГОСТ 27.002-2009 Надежность в технике. Основные понятия. Термины и
определения. – М.: Стандартинформ, 2011. – 32 с.
67. Галецкий, Ф. П. Особенности производства печатных плат в России. / Ф. П. Галецкий //
Электронные компоненты. – 2001. – №5. – С. 18 – 26.
68. Медведев, А. М. Технология производства печатных плат / А. М. Медведев. – М.:
Техносфера, 2005. – 360 с.
69. Неожиданные результаты испытаний надёжности паяных соединений. // Производство
электроники: технологии, оборудование, материалы.– 2009 – № 3 – с. 25 – 26.
70. Материалы фирмы NCAB Group. [Электронный ресурс] – Режим доступа:
http://www.ncabgroup.com/ru/финишные-покрытия. Дата обращения 21.10.2013.
71. Van Der Pas, F., Yau, Y., Wengenroth, K., and Kenny, J., “Selecting the Right Final Finish
for ROHS Compliant PCBs,” Printed Circuit Design and Manufacture, March 2007, pp 2–5.
72. Willoughby W. I. The navy's best practices approach to reliability. IEEE Trans. Reliab, 1987.
v. 36. № 3, P. 310–312.
73. Горлов М. И., Ануфриев Л. П., Бордюжа О. Л. Обеспечение и повышение надёжности
полупроводниковых микросхем в процессе серийного производства / Под ред. Горлова
М. И. Минск: Интеграл, 1997. – 390 с.
74. Дорошевич, В. К. Обеспечение и ускоренная оценка качества микросхем по
результатам физико-технической экспертизы : автореф. дис. … д-ра техн. наук :
05.02.23 / Дорошевич Виктор Казимирович. – М., 2010. – 22 с.
75. Горлов, М. Отбраковочные испытания как средство повышения надежности партий ИС
/ М. Горлов, А. Строгонов, А. Арсентьев, А. Емельянов, В. Плебанович // Технологии в
электронной промышленности. – 2006. – №1. – С. 70 – 75.
76. Материалы фирмы Альтоника. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.pkaltonika.ru/articles_type_1_18.htm. Последнее обращение 11.11.2013.
77. JEDEC Standard, Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility of
Tin and Tin Alloy Surface Finishes JESD201, March 2006.
78. JEDEC/IPC Joint Publication, JP002, Current Tin Whiskers Theory and Mitigation Practices
Guideline, March 2006.
79. Стандарт IPC/JEDEC J-STD-020D.1 RU Классификация негерметичных твердотельных
электронных компонентов для поверхностного монтажа по чувствительности к влаге
при пайке оплавлением. Март 2008.
80. Парфёнов, А. Введение в теорию прочности паяных соединений / А. Парфёнов //
Технологии в электронной промышленности. – 2008. – № 2. – С. 46 – 52.
81. Парфёнов, А. Введение в теорию прочности паяных соединений. Продолжение / А.
Парфёнов // Технологии в электронной промышленности. – 2008. – № 3. – С. 20 – 24.
154
82. Keller H.N. Solder connections with a Ni Barrier// IEEE Trans. Components, Hibrids and
Manufacturing Technol. – 1986. – Vol. 4. – P. 433–439.
83. O’Clock G.D., Peters M. S., Pater J. R. Et al. Pb-Sn alloy microstructure: potential reliability
indicator for interconnects// IEEE Trans. Components, Hybrids and Manufacturing Technol. –
1987. – № 3. – P. 82–88.
84. IPC-SM-785. Руководство по ускоренным испытаниям на надёжность паяных
соединений поверхностного монтажа. Перевод ОАО «РНИИ Электронстандарт». 2007.
– 66 с.
85. Новоттник, М. Надёжность бессвинцовых электронных узлов / М. Новоттник, А.
Новиков // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – №1. – С. 54 – 57.
86. Schubert, A., Dudek, R., Auerswald, E., Gollhardt, A., Michel, B. and Reichl, H., “Fatigue
life models for SnAgCu and SnPb solder joints evaluated by experiments and simulation”,
Proceedings, IEEE 53rd Electronic Components and Technology Conference, New-Orleans,
LA, May 27-30, 2003. [Электронный ресурс] – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
87. Clech J.P., ed., Reliability Evaluations of Lead-Free SnAgCu PBGA676 Components Using
Tin-Lead and Lead-Free SnAgCu Solder Paste, Proceedings of SMTAI, Chicago, IL,
September 25-29, 2005. pp. 891-901.
88. Иванов, Н. Н. Исследование надёжности бессвинцовых и комбинированных паяных
соединений в условиях жёстких воздействующих факторов. Часть 1. Цели, объекты,
программа и методика сравнительных ускоренных испытаний / Н. Н. Иванов, С. А.
Алексеев, В. Д. Ивин и др. // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. – 2009. – Вып. 4. – С.
85 – 102.
89. Иванов, Н. Н. Исследование надёжности бессвинцовых и комбинированных паяных
соединений в условиях жёстких воздействующих факторов. Часть 2. Анализ
результатов испытаний, оценка надёжности ПС по результатам сравнительных
испытаний. Выводы и рекомендации / Н. Н. Иванов, В. Д. Ивин, С. А. Алексеев //
Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. – 2009. – Вып.4. – С. 103 – 114.
90. Иванов, Н. Н. Надежностное проектирование РЭА ответственного применения / Н. Н.
Иванов, В. Д. Ивин, С. С. Фёдоров и др. // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. –2013.
– Вып.1. – С. 40 – 58.
91. Иванов, Н. Н. Прогнозирование усталостной долговечности паяных соединений
поверхностного монтажа в приборостроении / Н. Н. Иванов, С. А. Алексеев, В. Д. Ивин
// Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. – 2015. – Вып.1. – С. 115 – 126.
92. Иванов, Н. Н. Анализ технологического процесса групповой пайки компонентов
микросборок на основе математического моделирования / Н. Н. Иванов, В. А. Шубарев,
К. Б. Фомин // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ТПО. –1987. –Вып.2. – С. 14 – 22.
93. Иванов, Н. Н. Исследование и оптимизация процессов пайки элементов на плате в
печах конвейерного типа / Н. Н. Иванов, А. В. Кукушин, О. Л. Смирнов //
Аэрокосмические технологии: Сб. докладов III международного симпозиума, – СПб.:
ГУАП, 2004. – С. 148 – 154.
94. Иванов, Н. Н. Инновационная технология поверхностного монтажа ЭКБ в
бессвинцовом исполнении с применением оловянно-свинцовых припойных паст / Н. Н.
Иванов, В. Д. Ивин // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2013. – Спецвыпуск
(00128). – С. 108 – 113.
95. Иванов, Н. Н. Повышение надёжности поверхностного монтажа компонентов с
шариковыми выводами в бессвинцовом исполнении / Н. Н. Иванов // Электроника:
Наука, Технология, Бизнес. – 2014. – № 7 (00139). – С. 146 – 154.
96. Иванов, Н. Н. Автоматизация пайки при микросборке магнитофонов типа «Весна» / Н.
Н. Иванов // Автоматизация и внедрение прогрессивных процессов пайки в
приборостроении и радиоэлектронике: Матер.сем. –Л.: ЛДНТП. 1988. – С. 12 – 15.
155
97. Иванов, Н. Н. Применение припойных паст при монтаже компонентов электронных
модулей на керамические коммутационные платы / Н. Н. Иванов // Проблемы
комплексной автоматизации механосборочных и сборочно-монтажных работ в
производстве РЭА и ВТ. Тез. док. Всесоюзной н.-т. конф. – М.: Радио и связь. 1989.– С.
22.
98. Иванов, Н. Н. Особенности технологии групповой пайки керамических носителей ИЭТ
на платы / Н. Н. Иванов, Е. А. Ангервакс, К. Б. Фомин // Проблемы комплексной
автоматизации механосборочных и сборочно-монтажных работ в производстве РЭА и
ВТ. Тез. док. Всесоюзной н.-т. конф. – М.: Радио и связь. 1989.– С. 23.
99. Иванов, Н. Н. Монтаж радиоэлектронных модулей с применением бессвинцовых
покрытий выводов ИЭТ / Н. Н. Иванов, В. Д. Ивин // Электроника: Наука, Технология,
Бизнес, – 2008. Спецвыпуск. – С. 30 – 34.
100. Иванов, Н. Н. Состояние и развитие технологии монтажа ЭКБ на печатные платы / Н.
Н. Иванов, А. В. Казак // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, – 2008. Спецвыпуск.
– С. 36 – 41.
101. Иванов, Н. Н. Технология пайки радиоэлектронных модулей с применением
бессвинцовых покрытий выводов ИЭТ / Н. Н. Иванов, В. Д. Ивин // Поверхностный
монтаж, – 2009. – № 1 (75). – С 28 – 31.
102. Иванов, Н. Н. О применении элементов бессвинцовых технологий при создании РЭА
для жёстких условий эксплуатации / Н. Н. Иванов // Вопросы радиоэлектроники. Сер.
ОТ. – 2010, – Вып.2. – С. 141 – 147.
103. Иванов, Н. Н. ЭКБ импортного производства в бессвинцовом исполнении в аппаратуре
ответственного применения / Н. Н. Иванов, В. Д. Ивин // Петербургский журнал
электроники, – 2011. – № 3-4 (68-69). – С 155 – 164.
104. Липкин, Е. Современные тенденции развития сборочно-монтажных производств
аппаратуры специального назначения / Е. Липкин // Вектор высоких технологий, –
2013. – №2. – С. 51 – 55.
105. Шмаков, М. Оптимизация температурного профиля пайки оплавлением / М. Шмаков,
А. Тиханкин // Технологии в электронной промышленности, – 2008. – № 1. – С. 44 – 46.
106. Штенников, В. К вопросу формирования температурного профиля конвекционной
пайки / В. Штенников // Технологии в электронной промышленности, – 2008, – № 6, –
С. 40 – 41.
107. Парфенов, А. Температурный профиль конвекционной пайки. Что это такое? / А.
Парфёнов // Технологии в электронной промышленности, – 2009. – № 2. – С. 29 – 30.
108. Simon Ilustre. The Basics of Thermal Profiling for Sensitive Components. [Электронный
ресурс] /Материалы фирмы NexLogic Technologies (nexlogic.com).Published: 31 January
2014. – Режим доступа: http://www.circuitsassembly.com/ca/2014-articles/23536-reflowprofiling.html. Дата обращения 11.04.2016.
109. Ланин, В. Микроконтроллерное управление температурными профилями монтажной
пайки электронных модулей / В. Ланин, А. Лаппо // Технологии в электронной
промышленности, – 2015. – № 6. – С. 47 – 50.
110. Грибков, М. Технологические решения по переходу на бессвинцовые технологии / М.
Грибков, Н. Шелепанова, С. Шаров // Технологии в электронной промышленности, –
2006. – № 3. – С. 74 – 76.
111. Павлов, Н. И. Исследование ресурса прочности паяных соединений электронных
модулей, выполненных по совмещенной технологии : автореф. дис. …канд. техн. наук :
05.11.14 / Павлов Николай Иванович. – М., – 2012. – 19 с.
112. Способ преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхем из
бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава и
припойная паста для его реализации. Пат. 2528553 Российская Федерация, МКП
H05K3/34, H01L21/60 / Иванов Н. Н., Ивин В. Д., Грязнов С. Ю., Дзюбаненко С. В.,
Клепиков А. А.; заявитель и патентообладатель ОАО «Авангард». – №2013100340/28.
156
заявл. 09.01.13, опубл. 20.09.14, Бюл. № 26. – 16 с.
113. Амир, Д. Состояние дефекта вида «голова на подушке» в технологии поверхностного
монтажа / Д. Амир, Р. Аспандиар, С. Баттарс и др. // Технологии в электронной
промышленности, – 2015, – № 6. – С. 52 – 58.
114. Грибков, М. Технологические решения по переходу на бессвинцовые технологии / М.
Грибков, Н. Шелепанова, С. Шаров // Технологии в электронной промышленности, –
2006, – № 3, – С. 74 – 76.
115. Лейтес, И. Л. Реболлинг и проблема обеспечения надежности паяных соединений /И. Л.
Лейтес // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, – 2008, –
№8, – С. 34 – 37.
116. Реболлинг BGA компонентов: технология и оснастка для восстановления шариковых
выводов (2008). Информационный портал по технологиям производства электроники.
[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.elinform.ru/articles_97.htm. Дата
обращения 01.08.2016.
117. Иванов, Н. Н. Технология пайки компонентов BGA для применения в инновационной
РЭА ответственного применения / Н.Н. Иванов, В.Д. Ивин, С.А. Алексеев и др. //
Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ. – 2012. – Вып.1. – С. 39 – 52.
118. Проблемы бессвинцовой пайки. Международный форум «Асолд 2008» / Компоненты и
технологии, – 2009. – № 2. – С. 120 – 129.
119. Иванов, Н.Н. Повышение надёжности монтажа радиоэлектронных компонентов с
бессвинцовыми шариковыми выводами / Н. Н. Иванов // Вопросы радиоэлектроники,
Сер. ОТ. – 2014. – Вып. 2. – С. 119 – 128.
120. Иванов, Н.Н. Повышение надёжности поверхностного монтажа компонентов с
шариковыми выводами в бессвинцовом исполнении / Н. Н. Иванов // Электроника:
Наука, Технология, Бизнес. – 2014. – № 7 (00053). – С. 108 – 113.
121. Иванов, Н. Н. Кинетика корректировки бессвинцового припоя шариковых выводов
микросхем в BGA-корпусах / Н. Н. Иванов, В. Д. Лукьянов, С. С. Фёдоров // Вопросы
радиоэлектроники. Сер. ОТ. – 2015. – Вып.1. – С. 135 – 151.
122. Иванов, Н. Н. Центр микросистемотехники. Передовые инженерные решения / Н. Н.
Иванов, И. С. Баранник, Ю. В. Белогубов // Технология чистоты. – 2016. – № 1. – С. 7 –
12.
123. Федотов, А. Е. Чистые помещения – М.:АСИНКОМ, 2015. – 512 с.
124. Межгосударственный стандарт ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 «Чистые помещения и
связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха по
концентрации частиц», –М.: Стандартинформ. – 2017. – 30 с.
125. Иванов, Н. Н. Припойные пасты и отмывочные жидкости для монтажа электронных
модулей ответственной РЭА / Н. Н. Иванов, С. А. Алексеев, С. В. Дзюбаненко и др. //
Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ. – 2012. – Вып.1. – С. 21 – 32.
126. ОСТ 4Г 0.033.200 Припои и флюсы для пайки, припойные пасты. Марки, состав,
свойства и область применения. Ред. 1 – 78. Переиздание – октябрь 2011 с изм. № 1 – №
25. – М.: ОАО «ЦНИИРЭС», 2011. – 130 с.
127. Припойная паста на основе синтетических смол. Пат. 2438845 Российская Федерация,
МКП В23К35/36, В23К35/363, В23К35/26. /Иванов Н. Н., Грязнов С. Ю., Ивин В. Д.;
заявитель и патентообладатель ОАО «Авангард». – № 2010127002. заявл. 01.07.10,
опубл. 10.01.12, Бюл. № 01.– 5 с.
128. Припойная паста. Пат. 2450903 Российская Федерация, МКП В23К35/36, В23К35/363,
В23К35/26. / Иванов Н. Н., Грязнов С. Ю., Ивин В. Д.; заявитель и патентообладатель
ОАО «Авангард». – №2010127123. заявл. 01.07.10, опубл. 20.05.12, Бюл. № 14.– 7 с.
129. Флюс для низкотемпературной пайки. Пат. 2463143 Российская Федерация, МКП
В23К35/363. / Иванов Н. Н., Грязнов С. Ю., Ивин В. Д.; заявитель и патентообладатель
ОАО «Авангард». – №2010151221. заявл. 13.12.10, опубл. 10.10.12, Бюл. № 28.– 5 с.
157
130. Флюс для низкотемпературной пайки. Пат. 2463144 Российская Федерация, МКП
В23К35/363. / Иванов Н. Н., Грязнов С. Ю., Ивин В. Д.; заявитель и патентообладатель
ОАО «Авангард». – №2010151634. заявл. 15.12.10, опубл. 10.10.12, Бюл. № 28.– 5 с.
131. Флюс для низкотемпературной пайки. Пат. 2463145 Российская Федерация, МКП
В23К35/363. / Иванов Н. Н., Грязнов С. Ю., Ивин В. Д.; заявитель и патентообладатель
ОАО «Авангард». – №2010151636. заявл. 15.12.10, опубл. 10.10.12, Бюл. № 28.– 5 с.
132. ОСТ 4Г 0.029.233-84 Аппаратура радиоэлектронная. Моющие средства. Состав,
свойства и область применения. – Минск: ЦКБ «Стандарт», 1985. – 60 с.
133. ГОСТ Р 56427-2015 Пайка электронных модулей радиоэлектронных средств.
Автоматизированный смешанный и поверхностный монтаж с применением
бессвинцовой и традиционной технологии. Технические требования к выполнению
технологических операций. – М.: Стандартинформ. – 2015. – 55 с.
158
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
6 091 Кб
Теги
ivanovo
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа