В электронной промышленности одно из ключевых направлений развития – внедрение технологий бессвинцовой пайки припоями печатных плат. Этот переход не только отражает глобальные тенденции в области экологической безопасности и устойчивого развития, но и ставит перед производителями новые задачи.
Бессвинцовая пайка стала ответом на необходимость сокращения использования токсичных материалов в производственных процессах, а также выражением стремления к повышению надёжности электронных компонентов. В статье рассмотрим основные проблемы, связанные с внедрением и применением бессвинцовых технологий пайки, а также их влияние на электронную индустрию в целом.
Бессвинцовая пайка стала ответом на необходимость сокращения использования токсичных материалов в производственных процессах, а также выражением стремления к повышению надёжности электронных компонентов. В статье рассмотрим основные проблемы, связанные с внедрением и применением бессвинцовых технологий пайки, а также их влияние на электронную индустрию в целом.
Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса
Пайка без использования свинца по большей части аналогична традиционной свинцово-оловянной пайке, за исключением различий в рабочих температурах. Однако внедрение новых типов припоев и флюсов может повлиять на характеристики паяльной пасты, включая ее стабильность и вязкость, что потребует корректировки инструментов, процедур расплавления.
Более высокие температуры, используемые при безсвинцовой пайке, могут вызывать расширение корпусов микросхем, образование трещин в кристаллах и сбои в работе устройств. Похожие проблемы могут возникать и в печатных платах, где повышенная температура может привести к расшатыванию слоев и повлиять на точность монтажа крупных микросхем.
Для адаптации к более высоким температурам и увеличенному времени пайки бессвинцовым припоем необходимо пересмотреть существующие методики. Данный вопрос сейчас активно изучается организациями SEMI и JEDEC.
В процессе плавления изменения, связанные с безсвинцовой пайкой, проявляются на разных этапах и в большей степени связаны с повышением температуры, требуя более тщательного подбора компонентов, а также материалов.
Кроме того, появляются вопросы, связанные с охлаждением устройств и поддержанием плат. Мультикомпонентные сплавы, содержащие несколько металлов, чувствительны к скорости охлаждения, что может привести к формированию разнообразных интерметаллических соединений.
Исследования стандартных методов поверхностного монтажа и пайки выявили, что выбор сплава зависит от экономических и технических аспектов. Например, индиевые сплавы дорогостоящи и не подходят для волновой пайки, но идеальны для контактов flip-chip-кристаллов. Технологии производственных процессов постоянно совершенствуются. Большинство вопросов, связанных с процессом пайки, уже разрешены.
В процессе плавления изменения, связанные с безсвинцовой пайкой, проявляются на разных этапах и в большей степени связаны с повышением температуры, требуя более тщательного подбора компонентов, а также материалов.
Кроме того, появляются вопросы, связанные с охлаждением устройств и поддержанием плат. Мультикомпонентные сплавы, содержащие несколько металлов, чувствительны к скорости охлаждения, что может привести к формированию разнообразных интерметаллических соединений.
Исследования стандартных методов поверхностного монтажа и пайки выявили, что выбор сплава зависит от экономических и технических аспектов. Например, индиевые сплавы дорогостоящи и не подходят для волновой пайки, но идеальны для контактов flip-chip-кристаллов. Технологии производственных процессов постоянно совершенствуются. Большинство вопросов, связанных с процессом пайки, уже разрешены.
Методы бессвинцовой пайки
В процессе изготовления печатных плат сегодня преобладают методы бессвинцового оловянения и конденсационной пайки. Печатные платы, история которых уходит в прошлое на целый век, стали фундаментальным элементом в мире электроники. С момента их появления технологии как в сборке, так и в создании соединений для проводящих частей, претерпели значительные изменения.
В течение прошлого столетия припой традиционно содержал свинец, но благодаря ужесточению экологических норм происходит активный переход к использованию материалов, не включающих в себя этот элемент.
Метод горячего лужения
Во многих странах мира широко применяются сотни систем для бессвинцового горячего оловянения благодаря его простоте и эффективности в формировании защитного слоя на печатных платах. Процесс включает кратковременное погружение платы в расплавленный припой, за которым следует быстрое извлечение и удаление излишнего металла с помощью потока горячего воздуха. Особое внимание уделяется тому факту, что температура плавления бессвинцовых припоев выше на десятки градусов по сравнению с традиционными свинцово-оловянными сплавами.
Производители оборудования для этого процесса столкнулись с необходимостью точно контролировать температуру плавления. Однако благодаря тому, что плата находится в расплавленном припое всего несколько секунд при температуре более 260 градусов, риск ее повреждения минимален. Это делает издержки на производство печатных плат с использованием данного метода немного выше, чем при использовании стандартных свинцово-оловянных сплавов.
Метод конденсационной пайки
Метод пайки, который использует горячие газовые струи, применяется реже остальных. Он не так широко распространен из-за более высокого уровня воздействия на окружающую среду по сравнению с методикой горячего лужения. Ранее этот метод также ограничивался исключительно изготовлением односторонних плат.
Однако последние достижения в области химических составов сделали конденсационную пайку без свинца более востребованной в массовом производстве печатных плат. Метод основывается на использовании тепла от кипящего фторированного полимера или специальной жидкости. Ключевым преимуществом является возможность детального контроля температуры на протяжении всего процесса пайки.
Бессвинцовые припои
В последнее десятилетие наблюдается тенденция перехода к применению бессвинцовых припоев в изготовлении печатных плат. Она особенно заметна в Японии. Японские производители акцентируют внимание на экологической безопасности и инновациях в области безопасных сборочных процедур.
Ключевым фактором, стимулирующим смену типа припоев, является улучшение эксплуатационных свойств. Тем не менее широкое использование этих припоев ограничивается их более высокой температурой плавления, что усложняет процесс пайки, требует более точной калибровки оборудования. Необходимость в мониторинге температуры на всей поверхности платы в режиме реального времени увеличивает сложность производства.
Переоснащение производственных линий для работы с бессвинцовыми припоями может быть экономически затратным, но ожидается, что забота об окружающей среде, повышенные требования к качеству пайки и тенденция к уменьшению размеров электронных устройств приведут к полному переходу на бессвинцовые припои.
В контексте оптимизации термопрофиля для бессвинцовых припойных паст важно уменьшить разницу в температурах по разным частям платы. Для этого используются следующие методы:
- Продление времени предварительного нагрева, что помогает выравнивать температурные различия, хотя и может привести к испарению флюса для бессвинцовой пайки и снижению его смачивающих свойств.
- Повышение температуры предварительного нагрева до 170-190°С, что уменьшает разрыв температур между этапами преднагрева и пайки, снижая вероятность неравномерного нагрева платы. Основной недостаток – ускоренное испарение флюса, влияющее на качество соединений.
Современные печи для оплавления с такими термопрофилями позволяют достичь разницы температур между различными компонентами платы до 8°С, что считается приемлемым.