Propojování v elektronice elektrické spoje a jejich realizace (4)

Transkript

1 Propojování v elektronice elektrické spoje a jejich realizace (4)

2 Obsah 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

3 Úvod Elektrický spoj musí splňovat následující hlavní kritéria: Musí být technologicky (chemicky) slučitelné Musí být rozměrově úměrné Musí zachovávat integritu signálu (neovlivňování) - vykazovat minimální ztráty -splňovat požadavky kladené z hlediska elektrického odporu, indukčnosti, kapacity, stínění a další Musí splňovat požadavky na mechanické vlastnosti Musí být ekologicky akceptovatelné

4 Úvod Od 1. července 2006 nesmí žádný nový produkt prodávaný v EU obsahovat tyto látky: Olovo Rtuť Cadmium Hexavalentní chrom PBB a PBDE samozhášecí přísady.. a další materiály.. ale.. výjímky, kontrola? PBB polybrominated biphenyl PBDE polybrominated difenyl ether

5 Úvod - Normy ČSN ISO 857 (050001) Metody svařování, tvrdého a měkkého pájení Slovník ČSN EN ISO (050045) Materiály pro měkké a tvrdé pájení - Metody pro vzorkování měkkých pájek pro analýzu ČSN EN ISO 9453 (055605) Slitiny pro měkké pájení - Chemické složení a tvary 2002/95/EC (RoHS) IPC-A-610D

6 Úvod Elektricky vodivé spoje jsou nejčastější součástí elektronických zařízení, pokud budeme uvažovat integrované obvody jako samostatné součástky nehledě na počet dalších součástek (např. tranzistorů), které jsou v nich integrovány. Vodivé spoje jsou realizovány různými způsoby, které lze obecně rozdělit na mechanické a metalurgické. Metalurgické spoje: Svařování (termokomprese a ultrazvuk pro čipy)) Pájení (měkké pájení pro spoje, tvrdé pájení pro pouzdra) Lepení (lepení čipů a pouzder, materiály pro odvod tepla) Mechanické spoje: Konektory a svorky, pérové kontakty atd.

7 Úvod Pájení je proces, při kterém jsou dvě nebo více částí spojovány roztaveným kovem (pájkou), která má nižší teplotu tavení než spojované části. Ke spojení dojde difúzí atomů pájky do materiálu spojovaných částí. V elektrotechnice se užívá tzv. tvrdého a měkkého pájení. Jako hranice mezi těmito typy pájení je obvykle uváděna teplota C. V elektronice se pro vodivé spoje provedené pájením užívá výhradně měkkého pájení. Pájené spoje jsou v elektronice realizovány měkkými pájkami, což jsou slitiny, které vyhovují jak z hlediska ceny, tak elektrických a mechanických vlastností. Dlouho dominantní byly pájky SnPb. Od roku 2007 (RoHS) roste důraz na ekologii výroby a výrobků. Proto jsou SnPb pájky nahrazovány ekologickými slitinami bez olova. Jako alternativní řešení jsou vyvíjena vodivá lepidla. Pozn.: Pb je neekologický kov a má neblahé účinky na živé organismy. Pokud se do lidského těla dostane vyšší koncentrace Pb, dochází k silné otravě. Pokud je absorbováno nižší množství této toxické látky, dochází k poškozování vědomí, nervového a reprodukčního systému.

8 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

9 Výběr kovů pro pájky Co rozhoduje při výběru slitin pro pájení: 1. Materiálové vlastnosti (teplotní odolnost, pevnost, kompatibilita s povrchovou úpravou vývodů součástek a pájecích ploch) 2. Bod tání 3. Pájitelnost (smáčivost vývodů součástek a roztékavost na pájecích plochách) 4. Cena (dostupnost, skladovatelnost) 5. Množství tavidlových zbytků (nutnost čištění) 6. Toxicita

10 Alternativy pro bezolovnaté pájky Ag 961 C Zvýšení pevnosti spoje Bi 271 C Zlepšení Pájitelnosti Snížení bodu tání Sn 231 C Snížení bodu tání pevnosti spoje Cu 1083 C Snížení bodu tání Zvýšení Zn 420 C 1. Stříbro (Ag) - snižuje bod tání, zlepšuje smáčivost a pevnost 2. Bismut (Bi) - snižuje bod tání, zlepšuje smáčivost 3. Měď (Cu) - zvyšuje pevnost 4. Zinek (Zn) - nízký bod tání, nízká cena 5. Antimon (Sb) - zvyšuje pevnost, snižuje povrchové napětí pro lepší roztékavost a menší pravděpodbnost tombstoningu 6. Indium (In) - snižuje bod tání 7. Nikl (Ni) - zabraňuje odsmáčení 8. Germanium (Ge) - zabraňuje oxidaci

11 Pájecí slitiny Oblast tavení ( C) Pájka Využití v průmyslu Společnost Slitiny s vysokým bodem tavení (>210 C) 227 Sn/Cu Spotřebitelský Panasonic 3) Telekomunikace Nortel 221 Sn/Ag * 217 Sn/Ag/Cu Automobilový Panasonic 2) Telekom unikace Nokia,Nortel,Panasonic Toshiba 217 Sn/Ag/Cu/Sb * Sn/In/Ag * Sn/Ag/Cu/Zn * Sn/Ag/Bi/Cu Vojenský/Letecký Panasonic Sn/Ag/Bi/Cu/Ge Spotřebitelský Sony Slitiny s bodem tavení v rozsahu C Sn/Ag/Bi/X Spotřebitelský Panasonic Sn/Ag/Bi Vojenský/Letecký Panasonic 1) Spotřebitelský Hitachi 199 Sn/Zn Spotřebitelský NEC, Pan., Toshiba 4) Slitiny s nízk ým bodem tavení (<180 C) Sn/Bi/Zn * 138 Sn/Bi Spotřebitelský Panasonic 1) je náchylná na kontaminaci Pb, které zhorší výrazně vlastnosti 2) 95,5/4/0,5 je nejstarší slitinou objevenou v první polovině minulého století a proto není patentovatelná, není náchylná na kontaminace, proto v jiném složení je nejčastěji patentovanou slitinou pro pájky (např. Sn96,5/Ag3/Cu0,5 bod tavení kolem 220 C, je asi o 36 C vyšší než u olovnatých pájek). V důsledku obsahu stříbra je její cena vyšší. Je vhodná pro vlnu, reflow i ruční pájení 3) je náchylná na kontaminace, zvyšuje se teplota tavení (99,3/0,7) 4) 91/9 je levná, ale Zn je náchylné k oxidaci a k nečistotám celkem (pájení v dusíku zřejmě nutné). Zn pak zhoršuje i smáčivost a zkracuje i skladovatelnost. Má bod tavení blízký olovnatým pájkám (199 C)

12 Vlastnosti bezolovnatých pájek Melting Point Cost Wettability Spread Factor Prevention of Fillet Lifting SnPb Fatigue Property Interfacial Strength (Alloy42) Eleongation Interfacial Strength (Cu) Sn0.7Cu Sn3.5Ag0.7Cu Sn2Ag4Bi0.5Cu0.1Ge Sn2.5Ag1Bi0.5Cu Interfacial Strength (Ni)

13 Pájení - fázové diagramy Fázový diagram slitiny cín-olovo (Sn-Pb) včetně pohledu na struktury s různým obsahem Sn Fázový diagram bezolovnaté pájky ternární sloučeniny SnAgCu a) celkový pohled b) detailní pohled na oblast používanou pro pájení

14 Intermetalické slitiny v pájce pájka pevnost [N.mm -2 ] Sn Cu 6 Sn 5 Cu 3 Sn 0,3 Cu 0,2 0, [ m] tlouštka vrstvy

15 Změny ve složení pájky

16 Pájení - proces Pro vytvoření kvalitního pájeného spoje je třeba, aby byly vytvořeny podmínky pájitelnosti vývodů součástek i připojovacích plošek. K tomu musí být splněna řada podmínek, z nichž mezi základní patří: Smáčivost spojovaných materiálů povrch a materiál vývodů součástek a pájecích plošek musí být takový, aby vývody i připojovací plošky byly smáčeny roztavenou pájkou v čase, po který je prováděno pájení, bez následného odsmáčení (smáčivost kovového povrchu je definována jako schopnost povrchu podporovat vytvoření slitiny na rozhraní základního materiálu a pájky, která zajistí vytvoření mechanicky odolného spoje s nízkým elektrickým odporem). Povrchová úprava pájených ploch - pokovení vývodů i připojovacích plošek se v čase, potřebném pro zapájení, nesmí v pájce rozpustit ani pájkou odplavit Teplotní odolnost vývodů, připojovacích plošek, desek plošného spoje i pouzder součástek musí být taková, aby v čase potřebném pro zapájení nedošlo k teplotnímu poškození součástky ani desky plošného spoje.

17 Pájení součástek smáčivost Pro posuzování pájecích vlastností různých povrchů se provádí hodnocení smáčivosti povrchu roztavenou pájkou. Přitom jsou důležité především následující dva faktory: - stupeň smáčivosti (udává jak daleko se pájka po povrchu rozprostře), - rychlost smáčení (je to rychlost roztavení a rozprostření pájky závisející na účinnosti zdroje tepla, typu tavidla a probíhajících chemických reakcích). 0 < < 20 výborné až dokonalé smáčení 20 < < 40 dobré až velmi dobré smáčení 40 < <55 postačující smáčení 55 < < 90 špatné smáčení 90 < nesmáčivost

18 Pájení součástek smáčivost Výsledky testu SSBA pájky SnAg3,5Cu0,75 s tavidlem ROL0 a)povrchová úprava Sn b)povrchová úprava NiAu c) povrchová úprava OSP

19 Procesní okno pro bezolovnaté pájky ΔT zařízení: délková a podélná teplotní nestabilita ΔT součástek: rozdíl teplot mezi největší a nejmenší součástkou, mezi komponentami s nejvyšší a nejnižší teplotní kapacitou (barva

20 Pájení - metody Pájení se v elektronice provádí třemi základními způsoby: - ručně pájedlem, - pájením vlnou, - pájením přetavením. Ručním pájedlem se dnes pájí pouze některé speciální součástky, např. větších rozměrů, které jsou osazovány do desky dodatečně po pájení hromadném. Pájení pájedlem je užíváno především při opravách osazených desek. Pájení vlnou se provádí na deskách plošného spoje osazených součástkami pro povrchovou montáž i součástkami s vývody vkládanými do děr. Dnes představuje významný segment montážní technologie v elektronice. Při pájení vlnou je v zásobníku s roztavenou pájkou vytvořena na hladině jedna nebo více vln, které smáčí povrch desky plošného spoje, která se pohybuje nad hladinou. Smáčen je ten povrch, na kterém mají být vytvořeny pájené spoje, ta část smáčeného povrchu, na kterou nemá být aplikována pájka, je chráněna nepájivou maskou. Pájení přetavením spočívá v nanesení pájecí pasty na pájecí plošky desky plošného spoje, na kterých mají být vytvořeny pájené spoje, pak osazení součástek na desku tak, aby jejich vývody, které mají být připájeny byly osazeny na připojovací plošky s nanesenou pájecí pastou a následné přetavení pasty průchodem desky píckou s vhodným teplotním profilem.

21 Ruční pájení C teplota hrotu 320! 250 procesní okno ! 25 pokojová teplota (součástka) doba pájení

22 Pájení vlnou

23 Pájení přetavením

24 Měření teplotních profilů Profilometry KIC

25 Pájecí pasty Pájecí pasty mají mnoho různých vlastností a parametrů. Výsledná jakost pájeného spoje pak je dána optimální volbou konkrétního materiálu pro danou aplikaci a také způsobem jeho teplotního zpracování. Mezi základní parametry past patří: velikost částic pájecích složek, rozložení velikosti částic, smáčivost pájky, stupeň oxidace pájky, viskozita.

26 Pájecí pasty souvislost s parametry síta Vzdálenost mezi oky síta - rozteč Roztečí se rozumí vzdálenost od středu jednoho vlákna ke středu sousedícího vlákna. Ke správnému natištění vývodu (kontaktní plošky) je třeba zajistit přesné vytvoření šablony, nanesení a teplotní zpracování (vypálení). Podstatný je ale i výběr pasty, resp. velikost zrn pájecího prášku. Velikost zrn pájecího prášku souvisí s velikostí ok sítě, což je určeno schopností protlačení pasty resp. jejich zrn přes oka síta (mřížku). Vzdálenost mezi jeho dráty je určována počtem čtverců nebo počtem otvorů na palec síta (mesh) Například síto 200 mesh má 200 otvorů na palec a s počtem 325 mesh má 325 otvorů na palec, atd.

27 Pájecí pasty velikost zrn Velikost ok a odpovídající velikost částic pasty pro typ 3. Vzdálenost mezi dráty je udávána počtem čtverců nebo počtem otvorů na palec mřížky

28 Typy pájecích past Souvislosti mezi roztečí vývodů, typem pasty, počtem ok síta a rozměrem částic pasty Typ vývodu Součástky Rozteč [mm] Typ pasty Průchodnost a neprůchodnost typem síta [počet ok na palec] Typický průměr částic pasty [ m] Standardní 2, / Standardní 1, / Standardní >0, / Fine Pitch 0, /+400 to Fine Pitch 0, / Fine Pitch 0,4 3,4-400/ Ultra Fine Pitch 0, / Ultra Fine Pitch <0, /+635 <25

29 Pájecí pasty- složení Pájecí pasta se skládá ze tří základních složek, kterými jsou: a) pájecí materiály b) tavidlo c) pojivové složky Ad a) Kovové částice materiálů pájky ve formě práškových zrn. Ad b) Podle tavidla obsaženého v pastě rozdělujeme pasty na několik typů. Toto rozdělení odpovídá kategoriím, jež zahrnují kalafunu, přírodní nebo syntetické pryskyřice a organické látky. Nejpreferovanější tavidla jsou typu no-clean nebo s nízkým zůstatkem zbytků tavidla po tepelné reakci (odpadá starost s čištěním). Používaná jsou i tavidla na základě organických kyselin (OA). Ad c) Kromě rozpouštědel a aktivátorů ve funkci pojiva jsou obsažena v pastě navíc materiály pro úpravu viskozity (zahušťovadla) a teplotní stabilizátory. Zahušťovadla mají tu funkci, že pájecí prášek zůstává přichycen na tavidle a neodděluje se od něj. Teplotní stabilizátory zajišťují neměnnost vlastností pájecí pasty během přetavení.

30 Pájecí pasty - oxidace Forma a stupeň oxidace Forma a stupeň oxidace jsou důležité fyzikální vlastnosti pájecího prášku. Pro pájecí pastu musí být použit pouze kulový prášek. Prášek, jehož odchylka od přesného tvaru koule je větší než 4 je nevhodný. Použitím optického zobrazení je možno laboratorně měřit několik vlastností pájecích past současně. Pomocí optického zobrazení vybraného počtu částic lze určit velikost, tvar a rozložení důležité vlastnosti ke správnému nanesení pájecí pasty přes šablonu. Stupeň oxidace popisuje nevodivá vrstva, která se vytvoří na povrchu pájecího prášku, obsahuje uhličitany a sulfidy, které mohou ovlivnit viskozitu pasty, její schopnost tavení, tvorbu kapek a také její životnost. Obvykle, pájecí prášek obsahuje 0,05-0,25 objemových procent oxidantu.

31 Pájecí pasty - struktura Pájecí pasta se skládá z mikroskopických kuliček kovové pájky, které jsou pokryty vrstvou kysličníku a technologické složky. Tu tvoří tavidla a pojiva (aktivátoru a technologické složky rozpouštědla, zahušťovadla a teplotního stabilizátoru), což vytváří ze směsi pastu s požadovanou viskozitou (viz obr.). Kysličník Pájka Technologická složka

32 Pájecí pasty - vlastnosti Pro vlastnosti vyvíjených slitin bezolovnatých pájek není významným parametrem pouze teplota tavení pájky, ale také její koeficient teplotní roztažnosti. Ten musí být takový, aby při změnách teploty nedocházelo k poruše spojů vdůsledku výrazně odlišného koeficientu teplotní roztažnosti pájky, desky plošného spoje a součástky. Tento parametr je zvláště významný u povrchově montovaných bezvývodových součástek, kde se stále snižuje obsah pájky ve spoji. Délkový součinitel teplotní roztažnosti je různý podle složení pájky, např. u Sn-Pb eutektické pájky je 20, [ C -1 ], u slitiny Sn96,5Ag3,5 má tento koeficient hodnotu 22, [ C -1 ] a u slitiny Sn42Bi58 hodnotu [ C -1 ].

33 Pájecí pasty struktura po přetavení Povrch pájky SAC je ve srovnání s SnPb matnější, a při detailním pohledu je na něm patrná dendritická struktura tuhnutí fáze SnAg pájkové slitiny (obr.5-4). Tyto složky se podílí na vzniku depletiční vrstvy (Ag3Sn), jejíž struktura je v případě bezolovnatých pájek komplikovanější než v případě pájky SnPb. Obr.: Pohled na strukturu SnAgCu a) v detailním pohledu (zvětšení 500x) b) v pohledu spoje SMD (zvětšení 100x) c) vznik intermetalických slitin

34 Struktura pájky SAC305 Cu Cu 6 Sn 5 Ag 3 Sn 34

35 Struktura pájky Sn60Pb40 Sn Pb 35

36 Struktura pájky SN100C intermetalická sloučenina Cu Pájka 36

37 Pájecí pasty Základní rozdíly mezi SnPb an SnAgCu pájkou lze shrnout následovně: SnAgCu pájka požaduje vyšší teplotu přetavení než SnPb. Bod tavení u SnAg3.8Cu0.7 je 219 C a SnAg3Cu0.5 je bod tavení 217 C, obojí tedy je vyšší než bod tavení eutektické slitiny SnPb, který je 183 C. Smáčení SnAgCu pájek není tak dobré jako u SnPb slitin především z důvodu vyššího povrchového napětí, ale zlepšení srovnatelných výsledků lze dosáhnout při použití dusíkové atmosféry. SnAgCu pájené spoje mají větší náchylnost k vytváření prázdných míst - bublin (voids) než je tomu u pájek SnPb. Je patrný vzhledový rozdíl mezi SnAgCu a SnPb pájkou. Spoje SnPb jsou jasné a lesklé, zatím co spoje SnAgCu jsou matné a mají drsnější povrch. Tyto rozdíly vyžadují zohlednění při optické kontrole bezolovnatých pájených spojů.

38 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

39 Tavidla Hlavní funkce tavidla jsou: odstraňuje povrchové oxidy a další nečistoty odstraňuje a chrání před oxidací a brání přístupu reakčních prvků napomáhá přestupu a rovnoměrnému rozložení tepla vytváří prostředí s nízkým povrchovým napětím a zlepšuje smáčivost spojovaných povrchů Pokud je pájka dodávána jako pájecí pasta, je tavidlo smíšeno s částicemi pájky tak, že pasta tvoří homogenní materiál. V případě pájek trubičkových je tavidlo náplní trubičky.

40 Tavidla Tavidla jsou tří základní typy: Tavidla rozpustná rozpouštědlem (kalafuna + aktivátory, syntetická t.) R, RMA, RA, RSA (fosfátové směsi) Např. tavidlo RMA je tvořeno kalafunou rozpuštěnou v ředidle doplněnou aktivátorem, kterým bývá organická kyselina nebo sůl. Poměr obsahu aktivátoru k obsahu ředidla určuje aktivitu a tím i korozivitu tavidla. Typické pro tavidlo je, že maximální aktivitu vykazuje během pájecího procesu. Po zapájení spoje vykazuje tento typ tavidla velice nízkou aktivitu a tím i korozivitu, a proto po zapájení spojů je nutné čištění. tavidla rozpustná ve vodě ( až 40% organické kyseliny) Tavidla bezoplachová (1 5% organických kyselin, aminokyseliny) Zákaz VOC - jsou těkavé organické sloučeniny, zjednodušeně řečeno organická rozpouštědla (složená z uhlíku, H3O a částečně z kyslíku, dusíku, síry, chlóru, brómu, fluoru). Složení VOC těkavých organických látek - benzen, toluen, etylbenzen, suma xylenů, styren, metylchlorid, trichlormetan, chlorbenzen, suma dichlorbenzenů, suma trimetylbenzenů, dichlormetan, chlorid uhličitý, trichloretylen, tetrachloretylen, 1,1,1 - trichloretan, Freon 11, Freon 12 a Freon 113

41 Klasifikace tavidel podle ANSI-J-STD-004

42 Klasifikace tavidel podle ISO

43 Tavidla KESTER VOC- free 977

44 Volba a vliv tavidla

45 Nanášení tavidla Aplikace tavidel u pájení vlnou se provádí třemi základním způsoby: - smáčením - nanášením jako spray - nanášením pěny Nanášení tavidla smáčením je podobný proces jako pájení vlnou. V zásobníku s tekutým tavidlem je vytvořena vlna, která smáčí povrch spodní desky plošného spoje, která nad vlnou prochází. Za vlnou obvykle následuje měkký kartáč, který otírá přebytek tavidla ze smáčeného povrchu. Po nanesení je tavidlo sušeno během tzv. předehřívací fáze před pájením při teplotě C podle typu tavidla. Nanáší-li se tavidlo jako spray, jedná se o klasický proces známý např. z nanášení barev tímto způsobem. Takto je možné nanášet většinu tavidel. Při nanášení tavidla jako pěny se užívá probublávání plynu zásobníkem, ve kterém se nachází tavidlo. Na povrchu tavidla se takto vytváření bublinky, které se nanášejí na povrch desky plošného spoje. Při praskání bublinek dochází k úplnému smáčení daného povrchu tavidlem a zároveň se podporuje čistící účinek tavidla. U pájení přetavením je tavidlo obsaženo v pastě

46 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

47 Lepidla pro elektroniku Mohou být tříděna podle různých kritérií, z nichž pro elektrotechniku lze použít následující: elektrické vlastnosti (izolační nebo vodivé), chemických vlastnostech (pryskyřičná nebo epoxidová), vytvrzovacích vlastnostech (tepelný nebo UV/tepelný ohřev), fyzikální vlastnosti po vytvrzení (termoplastický nebo termosetový).

48 Lepidla pro elektroniku - nevodivá Nevodivá lepidla rozeznáváme z obecného pohledu elastomerické, termoplastické nebo vytvrditelné teplem. Elastometrická lepidla jsou materiály velmi pružné, jsou formovány v rozpouštědlech ze syntetických nebo přírodních polymerů. Vyznačují se vysokou elastičností a ohebností, ale v povrchové montáži nejsou obecně používané pro lepení součástek. Termoplastická lepidla nevyužívají vlivem působení tepla chemické reakce, pouze mění své fyzikální vlastnosti odpařením rozpouštědel. Protože působením tepla měknou, nejsou rovněž vhodné k lepení součástek. Lepidla tvrditelná teplem (termosety), se vytvrzují teplem, jež vyvolává chemickou reakci způsobující prostorovou vazbu makromolekul polymeru. Přitom dochází k nevratnému procesu přechodu z plastického stavu do tuhému stavu. Termosety se dodávají jako jednosložková i dvousložková.

49 Lepidla pro elektroniku - nevodivá Termosety se vytvrzují při zvýšené teplotě, nebo jsou citlivé na ultrafialové UV záření. Do první skupiny patří především epoxidové a akrylové pryskyřice, někdy se používají ještě uretany a kyanoakryláty. Do druhé skupiny pak patří anaerobní lepidla na bázi akrylátových kompozic s vytvrzovacími přísadami na UV světlo. Základ tvoří: Epoxidová lepidla jsou nejrozšířenější a jsou dostupná jako jedno nebo dvousložkové systémy. Dvousložková lepidla se vytvrzují při pokojových teplotách, ale vyžadují pečlivou přípravu a namíchání v požadovaném poměru. Jednosložková lepidla se vytvrzují při zvýšené teplotě v požadovaném čase. Epoxidy se obecně vytvrzují při zvýšené teplotě a jejich použití je velmi rozmanité. Katalyzátory pro vytvrzení lepidla jsou epoxidy, jejichž molekula obsahuje atom kyslíku spojený s dvěma atomy uhlíku, které jsou vzájemně vázány. Tepelná energie rozdělí tento svazek a tím nastává proces vytvrzení. Akrylátová lepidla jsou většinou anaerobní (mohou se vytvrdit bez přítomnosti vzduchu). Abychom zabránili jejich přirozenému vytvrzení, neměly by být uzavřeny ve vzduchotěsných obalech. Akrylátová lepidla se vytvrzují polymerací stejně jako epoxidové pryskyřice, ale mechanismus vytvrzování je odlišný. Vytvrzování nastává použitím světla určité vlnové délky - UV světla nebo tepla. UV světlo způsobují rozkládání kysličníků v lepidle jež tvoří radikály nebo volné elektrony. Tyto radikály způsobují řetězové reakce v lepidle a vzniká tak vysoko molekulární polymer (vytvrzené lepidlo). Výhodou oproti epoxidovým lepidlům je to, že při vytvrzování nedochází k poklesu viskozity, takže je sníženo nebezpečí posunutí součástek

50 Vytvrzování lepidel obecná platnost Vytvrzování lepidel (Curing process) Většina jednosložkových lepidel vyžaduje aby poté, co je lepidlo aplikováno na potřebná místa a jsou na něj umístěny vývody součástek, bylo vytvrzeno. Teprve pak je zajištěno trvalé elektricky vodivé a mechanicky pevné spojení. Existují dva základní způsoby vytvrzování lepidel: vytvrzování při zvýšené teplotě (tepelné vytvrzování) vytvrzování ultrafialovým zářením (UV-light) Kombinací obou předešlých způsobů Tepelné vytvrzování se provádí zpravidla v klasických (elektrických) či infračervených (IR) pecích. Lepidla potřebují k dobrému vytvrzení zpravidla teplotu v rozmezí C po dobu minut, podle typu.

51 Vytvrzování lepidel Exotermické špičky pro běžný epoxid vytvrzovaný na 80 C, 90 C, 100 C a 110 C. Pokud je materiál dle dolního grafu vytvrzován na 80 C, trvá vytvrzení téměř hodinu. Pokud je materiál vytvrzován při 110 C, čas potřebný pro vytvrzení je méně než 15 minut. Znázornění průběhu viskozity v procesu vytvrzování a) epoxidové lepidlo (vytvrzení v teplotě) b) akrylátové lepidlo (vytvrzení UV zářením)

52 Elektricky vodivá lepidla Elektricky vodivá lepidla se skládají ze dvou složek: složky vazební (binder) složky vodivé (filler) Vazební složka je izolant a je tvořena pryskyřicí různého typu. Většinou se užívá epoxidových pryskyřic, ale jsou i elektricky vodivá lepidla na bázi polyimidových, akrylátových, silikonových a dalších pryskyřic. Vazební složka může být termoplastická nebo reaktoplastická. Použití termoplastických lepidel není tak časté jako reaktoplastických, ale tato lepidla mají oproti reaktoplastům výhodu při opravách adhezních spojů (tedy spojů vytvořených elektricky vodivými lepidly). (Vazební pryskyřice může být jednosložková či dvousložková. V případě dvousložkového lepidla se k základní pryskyřici přidává pro její vytvrzení tvrdidlo. Proto některá dvousložková lepidla nepotřebují pro vytvrzování zvýšenou teplotu a vytvrdí se při pokojové teplotě. Jejich hlavní nevýhodou je, že jsou však dražší než jednosložková a že se musí před aplikací obě složky smísit ve správném poměru.) Vodivá složka je tvořena elektricky vodivými částicemi (Ag, Cu, Au, Pd, Ni) rovnoměrně rozptýlenými ve složce vazební. Obsah těchto částic musí být takový, aby se navzájem dotýkaly. Obvykle tvoří objem vodivých částic 60% až 80% celkového objemu lepidla, avšak může se od této hodnoty výrazně lišit v závislosti na použitém materiálu a tvaru částic. Vodivé částice jsou dvojího tvaru: - kuličky o průměru 1-20 m (balls) - lupínky (šupinky) různých velikostí (flakes)

53 Elektricky vodivá lepidla Vodivé lepidlo obvykle obsahuje 60 až 80% kovového plnidla, které tvoří nejčastěji drahé kovy (Ag nebo Au). Proto jsou vodivá lepidla poměrně drahá. Pro snížení ceny je snahou užívat také nikl, případně měď, ale silná oxidace způsobuje výrazné zhoršování vodivosti. Poté co je lepidlo, ať už nevodivé nebo vodivé, naneseno na spojovanou plošku, následuje jeho vytvrzení. Pro vytvrzení je v závislosti na použitých lepidlech možné využít konvenční pece (infračervené nebo ultrafialové záření, nebo horký vzduch). Doba vytvrzení se pohybuje od několika minut až hodinu v závislosti na typu lepidla a na samotném zařízení. Lepidla vyznačující se vysokou pevností se obyčejně vytvrzují kolem 150 oc, lepidla s nižší mechanickou pevností pak kolem 100 oc. Při použití vodivého lepidla se nepoužívá tavidlo a tak není nutné uvažovat čistění. Navíc, vodivá lepidla lze použít prakticky u všech typů povrchů (cín-olovo, OSP zlato, stříbro nebo paladium).

54 Elektricky vodivá lepidla Lepidla, která jsou na bázi pryskyřic, jsou výrazně elastičtější než pájky. Nevodivá epoxidová pryskyřice slouží jako základní hmota a vodivost je způsobena kovovými plnidly. Kovové částečky musí být obsaženy v co největším procentuálním množství, aby se dotýkaly navzájem a zajišťovaly tak požadovanou vodivost.

55 Elektricky vodivá lepidla Závislost elektrického odporu elektricky vodivého lepidla na koncentraci vodivých částic v matrici je uvedena na obr. Rezistivita % Koncentrace částic

56 Typy vodivých lepidel Izotropní vodivá lepidla Vodivou složkou izotropních elektricky vodivých lepidel jsou částice podobné kulovému tvaru, případně směs částic kulového tvaru a lupínků Anizotropní vodivá lepidla Vykazují elektrickou vodivost pouze v jednom směru. Protože tímto směrem bývá směr osy z (protože osy x a y předpokládáme v rovině desky plošného spoje), někdy se nazývají také z-osová

57 Elektricky vodivá lepidla Vodivou složkou izotropních elektricky vodivých lepidel jsou částice kulového tvaru, případně směs částic kulového tvaru a lupínků Základní matrici (vazební složku) elektricky vodivých lepidel s izotropní elektrickou vodivostí tvoří nejčastěji epoxidové pryskyřice. Anizotropní elektricky vodivá lepidla vedou pouze v jednom směru. Vodivým plnivem těchto lepidel bývají lupínky (šupinky) kovů. Koncentrace vodivých částic bývá nízká (obvykle 25%- 30%), aby se vzájemně dotýkaly pouze tak, že netvoří souvislou vodivou síť. Mohou být plněna i elektricky vodivými částicemi kulového tvaru (přibližně 10μm). Ty jsou z tvrdého polymeru a na povrchu mají nanesenou vodivou vrstvu (např. Ag) pokrytou tenkou izolační vrstvou.. Při osazení součástky stlačí vývody lepidlo aplikované na připojovací plošku, izolační povlak částic se v místech jejich vzájemného kontaktu vlivem tlaku vývodu poruší a dojde k žádanému elektricky vodivému spojení. Základní matricí elektricky vodivých lepidel s anizotropní vodivostí bývají většinou termoplastické pryskyřice, např. akrylátové.

58 Elektricky vodivá lepidla Nanášení elektricky vodivých lepidel Procesy aplikování vodivých lepidel se liší hlavně podle velikosti plochy, na kterou má být lepidlo naneseno. Způsob nanášení lepidla je také ovlivněn typem použitého lepidla a jeho vlastnostmi. Lepidla se nanášení následujícími základními způsoby: Sítotiskem Šablonovým tiskem Hroty Dávkovačem (dispenzním nanášením)

59 Elektricky vodivá lepidla Zásady pro aplikaci lepidel Většina elektricky vodivých lepidel musí být uskladněna ve speciálních podmínkách, většinou v chladicím zařízení. Dosáhne se tak delší životnosti lepidla před jeho použitím (shelf life) Plochy na které je lepidlo aplikováno musí být velmi dobře očištěny (chemicky či mechanicky), aby bylo dosaženo dostatečné kvality elektrických i mechanických vlastností spojů Důležité je aplikace lepidla na správné místo ve správném množství. Pokud je naneseno příliš velké množství lepidla, dochází k jeho přetékání, pokud příliš malé množství, dochází k odpadávání součástek a také elektrické vlastnosti kontaktu jsou nevyhovující Lepidlo, které nebylo spotřebováno musí být vyřazeno Při použití dvousložkových lepidel je potřeba obě části před vlastním nanesením dobře smísit. Musí být také dodržen výrobcem doporučený poměr obou složek. V hromadné montáži se dvousložková lepidla užívají málo, protože představují technologickou operaci navíc. Využití mají zejména tam, kde není možné použít tepelné vytvrzování, které vyžaduje většina jednosložkových lepidel.

60 Zásady pro aplikaci nevodivých lepidel

61 Vodivá lepidla Vazební složka (pryskyřice) Tabulka :Základní vlastnosti některých typů elektricky vodivých lepidel Typ Objemový Doba Teplota Plnivo částic odpor vytvrzování vytvrzování cm) (min) ( o C) Epoxy Ag lupínky Epoxy Pocínovaná Cu lupínky Epoxy Ni lupínky Polyimid Ag jiný lupínky Silikon Ag kuličky 168 hod 25

62 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

63 Pájené spoje Vznik difúzní vrstvy na rozhraní pájka vodivá ploška (pad) je z hlediska vzniku spoje nezbytným průvodním jevem, ovšem s rostoucí tloušťkou působí na spoj negativně, neboť snižuje pevnost spoje. Nadměrný růst této vrstvy může být vyvolán buď to při samotném vzniku difúzní vrstvy nebo v průběhu provozu: Při pájení - příliš dlouhá doba pájení - příliš vysoká teplota Tepelné namáhání v provozu Nárůst difúzní vrstvy nastává především na úkor cínu, a tím dochází k postupnému úbytku samotného pájeného spoje. To způsobuje znatelné zhoršení elektrických a mechanických vlastností spoje, vedoucí postupem času až k jeho nefunkčnosti. Sn, Ag Sn, Ag Sn, Ag Cu Cu Cu a) b) c) Obrázek Vliv stárnutí a namáhání v intermetalické vrstvě Cu 6 Sn 5, CuAg 3

64 Jakost pájených spojů Jakost spoje je definována jako pravděpodobnost, že pájený spoj bude schopen vykonávat požadovanou funkci po dobu určitého časového intervalu, jenž se nazývá životnost pájeného spoje. Spolehlivost spoje je třeba chápat jako specifický požadavek závisející na dané součástce (velikost, typ pouzdření a povrch součástky včetně pokovení vývodů), dále na povrchu pájecí plochy, na pájecím materiálu, a také na tvaru spoje (závisí na topologii pájecích plošek). Velikost součástky, typ pouzdra a tvar spoje předurčují i namáhání spoje v provozu. To je způsobeno různými koeficienty teplotní roztažnosti materiálů podílejících se na spoji včetně spoje samotného (včetně intermetalických slitin vněm vzniklých v průběhu pájení). Proto nelze brát za všeobecně platné takové závěry jako bezolovnaté pájky mají celkově lepší vlastnosti než SnPb, nebo naopak.

65 Jakost pájených spojů Pájené spoje žádoucí jakosti by také měly mít hladký, saténově lesklý až blýskavý povrch. U bezolovnatých a některých vysokoteplotních pájek tento požadavek nelze splnit v takové míře jako např. u pájky SnPbAg. Především u bezolovnatých pájek je povrch spíše matný až šedý. Dle normy IPC-A-610D však se tyto spoje hodnotí jako vyhovující.

66 Jakost pájených spojů

67 MATERIAL PARAMETERS ENVIRONMENTAL PARAMETERS Solder alloy composition Flux activity Surface treatments of substrate Morphology (roughness) of surface Thin and Thick Films CHEM. COMPOSITION STRUCTURE AND MATERIAL SURFACE PROCESS PARAMETERS ENVIRON- MENT oxidation reduction (inertion) Air Concentration of O 2 /in nitrogen + hydrogen/ Concentration of O 2 /in nitrogen / Air moisture Jakost pájených spojů TEMPERA- TURE TIME PROCESS EVALUATION Heat transfer Min.wetting temperature Flux temperature Temp. profile (lower/upper limit) Temp. gradient Max. temperature (peak) PHASE CHANGES, PHASE AND INTERPHASE REACTIONS Solving speed Diffusion coefficient Chemical reactions oxidation/reduction Surface and interphase changes in energy Geometry of joint INPUT INFORMATION WETTING, SOLVING, DIFUSSION, IMC, FORMATION Wetting angle, force and speed Solder Adhesion Structure and composition of final solder IMC thickness and structure Joint reliability

68 Povrchové úpravy pájecích plošek Vývody pájecí plošky jsou na organických PCB substrátech z mědi (Cu), a proto musí být chráněny před oxidací. To může být provedeno následujícími způsoby: Hot air solder levelling (HASL) dlouhodobě dobrá pájitelnost, při vyšších teplotách se znehodnocuje (deformuje) Organic solderability preservatives (OSP) levnější varianta, dobrá pájitelnost i při opravách, problém může být životnost a vliv tavidel Electroplated Nickel Immersion Gold (ENIG) bez iontových nečistot, slučitelný s většinou tavidel, uhlazenější než HASL Electroless finishes - autocatalitic coating (Ni, Pd, Ag) používají se Ni, Pd a Ag - immersion coating (Au, Ag, Sn) dobré pokrytí a snadné zhotovení

69 Jakost pájených spojů IPC 610 V procesu pájení působí celá řada faktorů, jež mohou jakost pájeného spoje ovlivnit. Dosažení jakostního spoje vyžaduje optimální nastavení těchto faktorů, což je záležitostí procesní a materiálové kompatibility. Prvořadým faktorem podmiňujícím vytvoření co nejdokonalejšího spoje je nastavení optimálního teplotního profilu, především v oblasti přetavení. Mezi poruchy pájených spojů, které vzniknou bezprostředně po pájení patří především: pájecí kovové plochy bez pájky (nebyla nanesena), kuličky pájky (na spoji a v jeho okolí), rozstřik pájky (do stran), pájkové můstky (zkraty), díry a krátery v pájce, pájkové špičky (do vrch nebo do stran), nesmočené pájecí plochy a vývody (studený spoj). Některé z těchto poruch sice nejsou podle normy IPC-A-610D považovány za chybu, ale pro zajištění jakosti elektronických systémů je vhodné tyto sledovat a eliminovat jejich příčinu Rozstřik pájky, pájkové krátery a pod.).

70 Jakost pájených spojů K poruše pájeného spoje může dojít z důvodu poruchy mezi: kontaktní ploškou na substrátu (DPS) a pájkou, vývodem součástky a pájkou, nebo v samotné pájce (jejími intermetalickými sloučeninami). Porucha pájeného spoje je způsobena selháním materiálu spoje, což může mít příčinu buď v únavě materiálu způsobenou změnou elektrických vlastností, nebo v mechanickém narušení struktury spoje (makroskopické praskliny nebo trhliny v pájeném spoji vzniklé např. v důsledku mechanicko-teplotního namáhání)..

71 Jakost pájených spojů V ideálním případě by při pájení prokovených otvorů mělo dojít k úplnému obvodovému smočení vývodů, otvorů a pájecích ploch na primární i sekundární straně DPS. Podaří-li se tohoto stavu dosáhnout, svědčí to i splnění další podmínky, kterou je 100 % svislé zaplnění prokoveného otvoru pájkou.

72 Jakost pájených spojů Pájka musí na obou stranách DPS pokrývat vývod a plynule přecházet do tenké vrstvy na hraně pájecí plochy nebo plošného vodiče. Pro tvar menisku, povrch spoje, obvodové smočení a svislé zaplnění prokoveného otvoru platí stejná kritéria jako v předcházejících dvou podkapitolách. Pro žádoucí kvalitu je navíc nutné, aby pájka nenavzlínala až do ohybu vývodu či dokonce k pouzdru součástky.

73 Jakost pájených spojů Lakované vodiče v pájeném spoji Některé vodiče mají na sobě antikorozní ochranné laky, které by svou přítomností v pájeném spoji mohly negativně ovlivnit jeho kvalitu. U těchto vodičů musí být mezi vrcholkem pájeného spoje a ochranným lakem vzdálenost rovnající se průměru vodiče.

74 Jakost pájených spojů Zaplnění volných otvorů pájkou Prokovené otvory sloužící k propojení vrstev DPS (via otvory) se buď nepájí (v tom případě jsou během pájecího procesu chráněny trvalou nebo snímatelnou nepájivou maskou), anebo se pájí (nejčastěji vlnou), a pak by měly být kompletně smočeny a zaplněny pájkou.

75 Jakost pájených spojů Neprokovené otvory Pro neprokovené otvory platí stejná kritéria jako pro prokovené, ale konce vodičů nebo vývodů musí být na konci ohnuty. I tady platí, že ohnutý konec vývodu musí být v pájce zřetelný.

76 Návrh plošek pro zamezení Tombstoningu Špatně Správně Špatně Správně 76

77 Výbrus SOIC

78 Jakost pájených spojů Součástka Optimální Akceptovatelný Nevyhovující Kvádrový tvar ( R, C, L ) délka spoje h Vývody tvaru Gull wing ( SO a podobné typy ) výška spoje Vývody tvaru Gull wing ( QFP, VSO ) meniskus Vývody tvaru J ( PLCC )

79 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

80 Typy poruch při pájení (IPC 610) Pájení vlnou Bridging Webbing Spikes Solder balls Hole filling Wicking Pájení přetavením Bridging Tombstoning Solder balls Beading Graping Voiding

81 Hole filling (plnění otvorů pájkou) 220 C 220 C 230 C 230 C 240 C 240 C 250 C 250 C 260 C Standard settings Contact time Higher preheat Ttop 260 C Higher solderpot temp

82 Špatné smáčení

83 Špatné smáčení a typické tečení! Bezolovnatá pájka má horší smáčení!!! Initial Lead Free Reflow Solder Test: LF Solder paste: SnAg3.8Cu0.7

84 Zvednuté a nezapájené vývody Důvodem je porušení koplanarity při manipulaci Větší zvětšení a úhel pohledu je nezbytný! Picture: Philips

85 Bridging (můstky zkraty) Phenomenon The connection on tin between two leads or pads that was not designed to be there. Possible Causes Design, Paste application (stencil, position, volume etc.), solderpaste, comp. placement Possible Solutions Re Design, optimize paste application, adjust placement parameters

86 Tombstoning (zvedání součástek) H L Phenomenon Small chip components lift up on one side of the component. Also called Manhatten effect (* Klein Wassink et all) ß d W Possible Causes Different forces on each individual side of the component due to; design, paste deposit, stencil design, placement failure, oven consistency. Possible Solutions Re-design, stencil re-design, optimize placement parameters, adjust heating profile oven, choose an ANTI tombstoning paste like SCANGe071-XF3+ W S

87 Tombstoning (příklad) Příčina: velké povrchové napětí tavené pájky a teplotní rozdíly na substrátu

88 Solder balling (pájkové kuličky) Phenomenon Small (clusters of) solderballs located directly next to the solderjont. Possible Causes Design, stencil design, printing parameters (pressure/speed/squeegee), placement parameters (force), reflow profile. Possible Solutions Re-design, re-design stencil, adjust printing parameters (low pressure/high speed/sharp squeegee), decrease placement force/distance.

89 Solder beading (zkrat pod čipem) Phenomenon Solderball between the terminations of a component (mainly chip). Also refered to as Mid Chip balling Possible Causes Paste squeezed under the component. Paste application (volume, location), Stencil (aperture shape), placement force, soldering profile Possible Solutions Optimize paste application process, optimize stencil aperture design, reduce placement force, optimize reflow profile.

90 Graping (rozprostírání pájky) Phenomenon Non complete coalesence of solderpaste gives a grape skin effect on the surface of this solderjoint Possible Causes Oxidation during soldering process due to lack of flux activity. Flux activity, flux amount, soldering profile. Possible Solutions Use more solderpaste (overprint), use high activated flux, use low thermal impact profile

91 Insufficient solder (nedostatek pájky) Phenomenon Too low solder volume to create an acceptable solderjoint acc IPC A610 Possible Causes Too less flux, Pin to hole ratio too big, no coalescence of the solderpaste. Possible Solutions Use more solder (overprint / preforms / dispensing), chance design, use PIP compatible solderpaste

92 Voiding (dutiny v pájeném spoji) Phenomenon Air or Flux Entrapments in the solderjoint. Possible Causes Possible Solutions.

93 Tvorba whiskerů a voidů

94 Ishikawa diagram tvorby whiskeru 94

95 Zajištění kvality SMT linky rozhodující je možnost zjištění chyb! Tisk Osazování Reflow Test MI/AOI MI/AOI MI/AOI/XRay Možnost najít chyby: Špatný tisk, špatné roztékání Možnost najít chyby: Nesprávné osazení, špatný Možnost najít chyby: Zkraty/Nezapájení,chudé spoje;tlusté spoje, vynechané spoje

96 Zajištění kvality SMT linky všechny defekty by měly být objeveny před finálním testem! Tisk Osazování Reflow Test Studený spoj, jen jednou pokleslé BGA, Mikro-trhliny, Delaminace; Patní meniskus, zaplnění prokovů; norma IPC 610 Nezjištěné defekty snižují ppm výroby, jež je jedním z hlavních ukazatelů

97 ERSASCOPE Vizuální kontrola Typické problémy BGA - pozorování pouze rentgenem je nedostatečné! X Tvorba Whiskerů způsobuje zkraty Rentgenem těžko odhal. zbytky tavidla Těžko odhalitené mikro trhliny X ERSASCOPE - obrázek dobrých Flip Chip pájených spojů, 50um mezera; dobrý pokles Pictures: ERSA X-ray vzhled 96 vývodového Flip Chip po pájení skutečná kvalita pájených spojů jen těžko posouditelná! ERSASCOPE - obrázek špatných Flip Chip pájených spojů; žádný pokles

98 ERSASCOPE Kritéria vizuální kontroly Pokles kuliček a smáčecí úhel jsou kritické pro splnění normy kvality! X X PBGA: Kompletní pokles; dobrý smáčecí úhel; menisk. tavidla PBGA: Neúplný pokles; špatný úhel smáčení ; žádný menisk. tavidla X PBGA: Chybějící menisk. pájky X CBGA: Dobrý úhel smáčení menisku pájky CBGA: Chybějící men. pájky CBGA: Chybějící menisk pájky

99 Efekt dvojitého propadu BGA / CSP / Flip Chip součástek Cu Cu Cu Cu SnPb SnPb SnPb SnPb SnPb SnPb Ubývání As solder kuliček ball reflows: cínu: 217 C C 183 C 1 st 1.pokles Drop 220 C 225 C C 2 nd Drop 2.pokles Když chemická difuzní reakce vytvoří slitinový spoj Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5 Grafické znázornění pájecí plošky nevnořené do nepájivé masky (NSMD) Výsledky životnostních testů ukazují, že pájecí plošky nevnořené do nepájivé masky na DPS i na pouzdře poskytují lepší spoje, než při užití pájecích plošek s nepájivou maskou. (Jsou zapájeny i na obvodu) Zdroj:Reliability of BGA Packages in an Automotive Environment, Roger Rörgren, Per-Erik Tegehall and Per Carlsson, IVF - The Swedish Institute of Production Engineering Research,

100 To nejdůležitější při kontrole teploty v SMD/BGA Lince X Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Sn// Cu Cu CU Cu Cu CU Cu Cu CU Cu 3 Sn / Cu 6 Sn 5 Pokojová teplota 25 C (Všechny materiály jsou pevné) Žádné spojení mezi piny, pájkou a páj. ploškou: Funkční test - *Dobrý! Spolehl. spoje-špatná! X Teplota tání pájky SnPb:185 C nebo SnCuAg:225 C (Kapalná pájka teče) ) Jen spojení povrchovým napětím piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje - Špatná! X *Testy a inspekce závisí na použitém vybavení a technice. Správná teplota smáčení SnPb:195/205 C nebo SnCuAg:230/235 C (Vzniká intermetalická slitina) Slitinová vazba mezi piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje - *Dobrá!

101 Výroba při neznámé T vede k neznámým následkům X Sn// Sn// Sn//????? Sn// Sn// Sn// Cu Cu CU Cu 3Sn / Cu 6 Sn 5 Cu Cu CU V bodu tání pájky SnPb:185 C nebo SnAgCu:225 C (Kapalná pájka teče) Povrchové napětí mezi piny a pájecí ploškou: Funkční Test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehl. spoje - Špatná! X Méně než 5 C T může znamenat rozdíl mezi špatnou a dobrou spolehlivostí!????? Náležitá teplota smáčení. SnPb:195/205 C nebo SnAgCu:230/235 C (vznikla intermetalická slitina) Slitinová vazba mezi piny a pájecí ploškou: Funkční test *Dobrý! ICT / X-Ray *Dobrý! Spolehlivost spoje - Dobrá!

102 Pájecí defekt vyplývající ze špatného reflow procesu Jen jeden neodhalený studený pájený spoj vede k poruše.

103 ERSASCOPE 2 Vyměnitelné optické hlavy

104 ImageDoc EXP Porovnání Dobrých & Špatných příkladů v databázi

105 Kritické body u bezolovnatých pájek: 1. Špatné smáčení 2. Deformace substrátu 3. Vyšší procesní teploty buď zničí součástky nebo změní požadovaný tvar pájeného spoje 4. Rýhy, efekt pomerančové slupky, linie tuhnutí, a dentritické tuhnutí krystalů může způsobit menší lesk spoje 5. Zbytky tavidla, tombstoning a zbytky cínu 6. Zvedání menisku 7. Tvorba whiskerů 8. Tvorba voidsů

106 Vysoké procesní teploty / změněné pájené spoje Vysokoteplotní reflow profily, s bodem špičky vyšším než 250 C, jsou často doporučovány při užívání technologie bezolovnatého pájení. Tyto velmi vysoké teploty mohou deformovat součástky, DPS a ovlivňují spolehlivost a vzhled pájeného spoje. SnPb SnAgCu SnAgCu X Pájka zatéká více k teplým plochám jak teplota vzrůstá T max 215 C T max 235 C T max 260 C Součástka: Chip C 1206 AgPd Deska: NiAu Neodpovídá normě IPC!

107 Vysoké procesní teploty / Zničení součástek 240 ºC 270 ºC Zničení termoplastického pouzdra součástky. Pictures: Jabil

108 Vysoké procesní teploty / Zničení součástky 225 ºC 255 ºC

109 Vysoké procesní teploty / zničení součástky 225 ºC 250 ºC Tlak páry v ELCO

110 Spojitosti s Pb-free legislativou Intel Presler a Yonah mobilní procesory (65 nm) Propojení čipů bylo změněno ze solder balls na Cu sloupky Jako Lead-free Ale pro spojení Cu sloupků na pouzdro je nutná SnPb Analýza ukázala na nerovnoměrné smáčení u Yonah Presler Yonah Otázka: je to řešení pro Hi-Rel provedení?

111 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

112 Testování pájených spojů Optická kontrola Manuální -AOI - Rentgenem (Termo)Mechanické testování střih -tah -vibrace Elektrické testování měření R -měření harmonických.

113 Testování bezolovnatých pájek Teplotní cyklování je účinnou metodou pro zjišťování stárnutí spojů a v kombinaci s měřením mechanické pevnosti lze získat nové poznatky a srovnání vlastností olovnatých a bezolovnatých pájek. Cycle Low temp High temp Ramp Dwell Period [ C] [ C] [ C/min] min min A B C D E F A - Armádní aplikace B Automotive C Telekomunikace D Automotive E Spotřební elektronika F Teplotní šok Temperature [ C] E A D F C B Time [min]

114 Testování bezolovnatých pájek SEM narušeného spoje po 1200 cyklech namáhání režimem A (-55 to 125degC, 10deg/min ramp rate) SEM narušeného spoje po 1200 cyklech namáhání režimem B (-55 to 125degC, 18deg/min ramp rate) SEM narušeného spoje po 1200 cyklech namáhání režimem C (-20 to 125degC, 18deg/min ramp rate) SEM narušeného spoje po 1200 cyklech namáhání režimem D (-12 to 125degC, 65deg/min ramp rate) SEM narušeného spoje po 1200 cyklech namáhání režimem E (-20 to 80degC, 10deg/min ramp rate) SEM narušeného spoje po 1200 cyklech namáhání režimem F (-55 to 125degC, 55deg/min ramp rate)

115 Testování bezolovnatých pájek Oba pravděpodobné průběhy vzniku trhlin jsou znázorněny na obr. Uvedené zjištění vnáší do výzkumu chování bezolovnatých pájek některé nové poznatky. Teplotní šoky totiž namáhají především pájkový materiál a proto je složení pájky pro konečné vlastnosti zásadní. Proto lze tento způsob namáhání pro zjišťování vlastností pájek doporučit, ale pro zjišťování resp. simulování klimatických vlivů je vhodnější teplotní cyklování. e Pravděpodobná trhlina z teplotního cyklování Pravděpodobná trhlina z teplotního šoku

116 IPC A 610A, B, C, D Kontaktování ultrazvukem a termokompresí Mechanické spoje atd.

117 1.Úvod 2. Pájení a pájecí pasty 3. Tavidla 4. Elektricky vodivá lepidla 5. Jakost pájených spojů 6. Poruchy pájených spojů 7. Testování pájených spojů 8. Závěr

118 Závěr Pájení je metalurgické spojení materiálů stejného nebo rozdílného chemického složení pájkou mající teplotu tavení nižší než spojované materiály. Spoj vzniká vlivem difúze, což znamená prolnutí částic pájky s oběma spojovanými materiály. Proces pájení je velmi složitý a v jeho trvání probíhají velmi složité chemické reakce, které ovlivňují strukturu spoje. V procesu pájení působí celá řada náhodných jevů, které ovlivňují strukturu pájeného spoje. Struktura spoje je rozhodující pro jeho spolehlivost a životnost. Každý proces pájení je třeba řídit, to znamená kontrolovat nejen parametry, které do procesu vstupují, ale i které jsou výstupem procesu, a tyto využívat pro jeho řízení.

119 Kontrolní otázky 1) Požadavky na elektrické spoje a jejich provedení 2) Základní kritéria pro výběr pájecí slitiny a typy spojů 3) Přechod na bezolovnaté pájení materiály a změny v procesu 4) Faktory působící v procesu pájení a parametry pro výběr pasty 5) Teplotní profily pro pájení v parách, konvekčním způsobem a ruční 6) Důvody pro použití tavidel a jejich rozdělení 7) Typy lepidel pro elektroniku, používané materiály a jejich vytvrzování 8) Vytvrzování termosetických lepidel a průběhy izotermických křivek 9) Izotropní a anizotropní lepidla a jejich využití v elektronice 10) Hodnocení jakosti pájených spojů a příklady tvarů u nejpoužívanějších typů vývodů 11) Smáčivost a vznik intermetalických slitin v pájených spojích 12) Typy poruch pájených spojů a jejich příčiny vzniku rework a repair 13) Kontrola a průběh procesu pájení u pouzder BGA (tři fáze poklesu) 14) Způsoby testování pájených spojů a význam teplotního cyklování