Авторы: Ле Рой Бун, Джерард П.Кэмпбел, Лурдес С. Паласио
Перевод: Виталий Щекин
Надёжность — основа успешной сборки электронного узла
Экологические требования стран Европейского союза, вступившие в силу с 1 июля 2006 года, значительно ограничивают содержание свинца в производстве электрического и электронного оборудования. В данной статье описывается процесс выбора бессвинцового сплава производителями бытовой электроники.
Вот уже на протяжении длительного времени в массовом производстве электроники при пайке волной используется оловянно-свинцовый эвтектический сплав Sn63/Pb37. В связи с необходимостью перехода на бессвинцовую технологию компаниям приходится выбирать нужный для себя сплав. Один из производителей бытовой техники использовал следующий процесс выбора сплава припоя, который состоял из четырёх стадий:
- Условия, учитываемые при выборе сплава: показатель числа дефектов на миллион единиц продукции (DPMO),эксплуатационные процессы, совместимость компонентов и платы, эксплуатационная надёжность и общая стоимость владения.
- Предварительное рассмотрение доступных сплавов и составление основного списка сплавов.
- Экспериментирование с качеством выходных изделий, заключающееся в определении стратегии испытаний и оптимизация технологических параметров.
- Последним этапом при выборе сплава является этап проверки надёжности, состоящий из определения теплового цикла и комплексной проверки паяного соединения.
Выход годных изделий проверялся с помощью изменяемой стратегии испытаний. К переменным параметрам можно отнести используемый сплав (SACX или Sn/Cu/Ni),покрытие контактных площадок, флюс, скорость линии конвейера, температуру в ванне с припоем и температуру предварительного нагрева. Результатом процесса стал подсчёт дефектов для каждого цикла тестирования.
Надёжность каждого сплава определялась воздействием резкого перепада температуры в течение 300 циклов в диапазоне от -25° до +85°С. Однако проверить таким образом можно не все компоненты печатного узла. Выбор компонентов для детальной проверки и изучения определялся оценкой тех компонентов, которые будут подвергаться наибольшим нагрузкам. К ним относятся компоненты с большой плоскостью основания (жёсткие выводные контакты),выводные компоненты малого размера, устанавливаемые в сквозные отверстия (резисторы, диоды),бескорпусные компоненты кристалла, а также компоненты, выполненные не из медных сплавов (отводы скрутки, теплоотводы).
Были изучены микроструктуры паяного соединения и обнаружены такие механизмы отказа, как неисправность компонента, отказ вследствие ошибки в проектировании и нарушение структуры подобранного сплава. Микроструктуры сплавов проверены на интрузию и экструзию зерна, а также на образование пустот, затем на основе этих результатов выбран необходимый сплав.
Было установлено, что сплав SACX обеспечивает наилучшую в своём классе надёжность и качество. Наиболее эффективной комбинацией материалов оказалось использование сплава SACX с фольгированным диэлектриком типа FR4 и иммерсионным оловом в качестве защитного покрытия.
Осознанный выбор
Идеальным вариантом стало использование такого бессвинцового сплава для волновой пайки, который обеспечивал бы такую же или более высокую производительность по сравнению со сплавом Sn63/Pb37. К сожалению, аналогов лучше пока не придумано. То, что достижимо на рынке электроники сегодня, — это применение сплавов с разными свойствами для бессвинцовой пайки волной. Для сборщиков печатных плат это означает то, что им приходится выбирать лучший для себя сплав. Большинству производителей электроники приходится проводить предварительные испытания, прежде чем выбрать наиболее подходящий для себя сплав.
К основным критериям сравнительного анализа сплавов относятся такие как: выход годных изделий, эксплуатационный процесс, совместимость компонентов и платы, эксплуатационная надёжность и общая стоимость владения. Все приведенные критерии важны для принятия конечного решения. Индивидуальные пользователи сопоставят важность каждого критерия отдельно в зависимости от конкретных эксплуатационных требований, предъявляемых к готовому устройству, и сложности сборки.
Предварительное рассмотрение сплавов
В списке рассматриваемых сплавов значилось четыре сплава: SAC305, SACX, Sn/Cu/Ni, а также сплав состава Sn96Ag4. В исследовании оценивались различные свойства сплавов. По результатам исследования себестоимость сплавов SAC305 и Sn96/Ag4 оказалась выше, чем у SACX и Sn/Cu/Ni, и их пришлось убрать из списка. Высокое содержание серебра у SAC305 и Sn96/Ag4 по сравнению с SACX и Sn/Cu/Ni повышает стоимость основного материала. По результатам предварительного рассмотрения сплавы SACX и Sn/Cu/Ni оказались более подходящими для бессвинцовой пайки волной, демонстрируя схожую со сплавом SAC305 производительность при меньших затратах.
Определение плана стратегии испытаний
Для сравнения качества и надёжности сплавов припоя, содержащих разнотипные флюсы с летучими органическими соединениями, а также для оценки покрытия диэлектрических материалов, диапазонов рабочих процессов и вариантов исполнения разработан план тестирования эффективности. В эксперименте также учитывался эффект влияния на оборудование для волновой пайки. Для выявления характеристик и динамики изменения свойств припоя с учетом различных планов эксперимента внесено несколько изменений в стратегию испытаний. Учитывая время и эффективность затрат, была определена упрощённая стратегия испытаний.
Для подготовки к экспериментам сформирована группа инженеров-специалистов. Участники команды определяли важнейшие компоненты для бессвинцовой пайки. На основе данных, полученных в процессе проверки нескольких сотен печатных плат, подвергшихся воздействию резкого перепада температуры, специалисты установили вероятность образования непрочных паяных соединений при наличии одного или нескольких условий:
- Относительное растяжение между компонентами и платой;
- Жёсткая связь между паяными соединениями (обычно при использовании жёстких выводных компонентов);
- Значительное повышение температуры
К компонентам, создающим такие условия, обычно относятся теплоотводы и термозащита, прикручивающиеся или припаивающиеся к плате, энергоёмкие диоды (высокоскоростные переключатели с жёсткими выводами),силовые резисторы с мощностью рассеивания более 2 Ватт, стабилизаторы источника питания, транзисторы большой мощности, интегральные микросхемы со звуковыми выводами, трансформаторы, а также контрольные штырьковые выводы. Кроме того, если данные компоненты установлены в так называемом «земляном» слое печатной платы или на плате с высоким содержанием меди, возможно усиление нежелательного дефекта.
Инженерами отмечено, что для точного определения воздействия температурной усталости на выводы компонентов следует наносить не содержащие свинец покрытия. В качестве консультантов по сплавам припоя также выступила вышеупомянутая команда инженеров. Они помогли определить флюс, лучше всего подходящий для ремонта печатных плат. Для этого рассматривалось три варианта: флюс, не содержащий летучие органические соединения, флюс на спиртовой основе и трубчатый припой. Рекомендации по основным компонентам печатной платы, типам диэлектрика и конструкции электронного узла предоставили инженеры по разработке новой продукции.
По результатам проведенной работы компания приняла решение использовать простую и модифицированную стратегию испытаний, состоящую из четырех типов фольгированного диэлектрика: FR4, CEM1, FR2 и FR1. Данные типы диэлектрика использовались на всех платах и нескольких экспериментальных конструкциях. Однако один тип диэлектрика ввиду меньшей надёжности и стоимости пришлось исключить. Среди выбранных защитных покрытий оказались покрытия из иммерсионного серебра и олова, два типа покрытий, образованных выравниваем припоя горячим воздухом HASL (бессвинцовый припой) и четыре органических защитных покрытия. Предполагалось протестировать четыре паяльных сплава, но от двух сплавов пришлось отказаться по причине их высокой себестоимости. В результате осталось два сплава — SACX и Sn/Cu/Ni. Из пяти оцениваемых флюсов было выбрано два наиболее используемых в других экспериментах.
Параметры процесса
Параметры волновой пайки для определения стратегии испытаний:
- температура в ванне с припоем от 250°С до 260°С;
- температура нагрева на нижней стороне платы от 115°С до 141°С;
- время контакта с припоем 2.5 — 3.3 секунды;
- скорость линии 1.05 м/мин, 1.35 м/мин, 1.80 м/мин.
При тестировании учитывалась только пайка в среде воздуха. Незначительные улучшения качества пайки не смогли компенсировать разницу в себестоимости. Для этого пришлось бы значительно повышать затраты на сам эксперимент. Однако процесс удалось упростить подбором соответствующей партии изделий для каждого расчета.
Результаты стратегии испытаний
Планирование эксперимента выполнялось с использованием: двух сплавов - SACX и Sn/Cu/Ni; трёх подложек - иммерсионное олово (ImSn),иммерсионное серебро (ImAg) и CuOSP; двух флюсов и с учетом трёх параметров процесса - температура в ванне с припоем, скорость линии конвейера и температура предварительного нагревания.
Результаты показали более высокую эффективность сплава SACX. Общее число дефектов пайки при использовании сплава SACX оказалось значительно ниже при улучшенных характеристиках смачивания и более ровной форме галтели. При этом уменьшилось число пропусков и угол смачивания. Ещё одним выявленным отличием стала скорость образования шлака, которая для SACX оказалась ниже, чем у сплава Sn/Cu/Ni.
Проверка надёжности
Механические свойства сплава зависят от его микроструктуры. Надёжность же паяного соединения зависит как от формы галтели паяного соединения, так и от механических свойств припойного сплава. В ходе эксплуатации печатная плата и её компоненты подвергаются ежедневному включению и выключению питания, что приводит к циклическому изменению температуры. Термомеханическая усталость паяных соединений проявляется в различии температурных коэффициентов расширения компонентов с платой, расстоянием между примыкающими контактными поверхностями, а также скоростью смачивания и формой галтели паяного шва. С течением времени ввиду незначительных перемещений поверхностей компонентов происходит постепенный износ электронного узла. После проведения 300 циклов испытаний на воздействие резкого перепада температур были изучены микроструктуры нескольких различных типов паяных соединений. По результатам этого анализа определялась эксплуатационная надёжность и устойчивость печатного узла к воздействию термоциклирования, или попросту режима включения-выключения. В нормальных условиях эксплуатации бытовых электроприборов колебания температуры незначительны и механическое напряжение, возникающее из-за низкого перепада температур, также незначительно. Термоциклирование вне принятого рабочего диапазона приемлемо для ускорения условий интенсивности напряжения за короткий промежуток времени. Очевидно, что чем выше ΔT, или разность температур, тем выше напряжение. Механические и реологические свойства паяльных материалов также являются функцией температуры. Для поддержания термомеханического напряжения интервалы температур в целях ускорения проявления усталостного напряжения не должны значительно превышать нормальные рабочие температуры. Следовательно, коэффициенты ускорения незначительны, и десятилетний срок жизни электронного узла рассчитан на 300 термомеханических циклов. Диапазон использованных в данном исследовании тепловых циклов составил от -25°С+1 до +85°С+1. В качестве оборудования использовалась термошоковая камера с резким перепадом температур. Время выдержки при высоких и низких температурах составило 90 минут.
С помощью поляризованного света проверялись функциональные и визуальные характеристики каждого готового пробного экземпляра на наличие дефектов, способных повлиять на нормальную работу устройства. Похожие проверки сначала проводились при ста интервалах теплового цикла, затем возвращались обратно в испытательную камеру.
При выборе паяных соединений для проверки, как правило, учитывались общие для всех экспериментальных конструкций компоненты. Среди них оказались компоненты с большой плоскостью основания (жёсткие штыревые контакты),небольшие выводные контакты (резисторы, диоды),бескорпусные компоненты (без BGA-выводов),а также компоненты из материалов, отличных от медных сплавов (отводы скрутки, теплоотводы и др).
Целью проверки являлось определение различия температурного расширения между компонентами и платой, а также влияние высокой температуры на прочность паяных соединений. Для проверки были выбраны компоненты, которые планировалось подвергнуть наиболее сильному термическому напряжению. Паяные соединения, включающие некоторые компоненты, были разрезаны поперек, отшлифованы и отполированы для изучения по завершении 300 циклов воздействия резким колебанием температуры.
Результаты термоциклического анализа
Микроструктуры паяного соединения изучены после окончательной полировки без травления с использованием соответствующего микроскопа при переменном увеличении. Также было произведено 148 электронных микроснимков и наглядных сравнений. С помощью данных фотомикроснимков удалось изучить свойства паяных швов.
После определения механизмов отказа в соответствии с уровнями усталости паяных соединений произведена оценка качества соединения (Рис. 1). Для этого механизмы отказа сгруппированы согласно неисправности компонента, ошибки в проектировании и нарушению структуры сплава.
Рис. 1 Оценка качества паяного соединения после термоциклирования
На рис. 2 представлены типичные микрошлифы паяных соединений. В обоих случаях использовалось одинаковое органическое защитное покрытие с фольгированным диэлектриком типа FR4, но разные типы жидкого флюса. Эти паяные соединения демонстрируют незначительную деформацию после 300 термоударов.
Рис. 2а Срез паяного соединения, SAXC
Рис. 2б Срез паяного соединения, Sn/Cu/Ni
Паяные соединения, выполненные с применением сплава SACX, подвержены появлению поверхностной усталости, проявляющейся в деформации поверхности, и воздействию процесса интрузии и экструзии. В обоих сплавах обнаружены пустоты. В этом эксперименте пустоты оказались более значительными в сплаве SACX. Необходимо отметить отсутствие трещин на границах выявленных пустот вне зависимости от используемого сплава.
Выход поверхностной энергии проявляется посредством искажения поверхности в местах соединений с использованием сплава SACX и в виде угловых трещин на паяных соединениях из сплава припоя SnCuNi.
Соединения пайкой на платах с применением припойных сплавов SACX и SnCuNi, фольгированного диэлектрика типа FR4 и иммерсионного олова в качестве финишного покрытия обнаружили меньшее количество пустот в микрошлифе при использовании сплава SACX. Этот сплав продемонстрировал также более высокую способность к смачиванию. При этом на обоих микроструктурах можно увидеть двойниковые и древовидные кристаллы.
При использовании сплава SACX наблюдалась поверхностная усталость в результате интрузии и экструзии зерен припоя. В то же время в сплаве SnCuNi этого эффекта не обнаружено.
На рис. 3 показано несколько паяных соединений жестких штырьковых выводов, образованных пайкой сплавом SnCuNi. Компоненты прикреплены к большой плоскости основания. На одностороннем печатном узле используется диэлектрик типа FR1 с защитным покрытием на основе канифольного флюса. Паяное соединение на рис. 3а получило оценку "удовлетворительно", а качество соединения на рис. 3в оказалось неудовлетворительным.
Механизмы отказа на рис. 3б представлены ошибками в проектировании из-за некорректного соотношения «отверстие – вывод компонента» и нарушения структуры сплава (усталость паяного соединения) на рис. 3в. На этом же рисунке также показан механизм освобождения поверхностной энергии (угловые изломы),наличие которой зафиксировано и в других соединенных припойным сплавом SnCuNi компонентах.
Рис. 3а Паяные соединения жестких штырьковых выводов, сплав SnCuNi, удовлетворительное качество
Рис. 3б Паяные соединения жестких штырьковых выводов, сплав SnCuNi
Рис. 3в Паяные соединения жестких штырьковых выводов, сплав SnCuNi, неудовлетворительное качество
Некоторые результаты зависели от паяных соединений жёстких штырьковых выводов, установленных на большой плоскости основания. В качестве материала основы также использовались бумажные слои, пропитанные фенольными смолами (FR1) с защитным покрытием на основе канифоли. Для пайки волной выбран сплав SACX. В первом примере на углу через интерметаллический слой произошёл выход поверхностной энергии, предположительно, из-за расхождения теплового расширения. В других примерах помимо нескольких пустот обнаружено шлакообразование. При этом не выявлено изломов, а количество образованных несмачиваемых припоем участков незначительно. У обоих сплавов (SACX и Sn/Cu/Ni) в зоне теплоотводов и в местах соединений волной припоя обнаружено также нарушение структуры сплава. Этот дефект наблюдался наиболее часто при использовании вывода компонента из алюминия или стали, а также при применении подложки из пропитанных фенолом бумажных слоев (FR1) или композиционных материалов (CEM-1). Несоответствие показателей теплового расширения вместе с характеристиками смачивания вывода компонента являются основными причинами данного механизма отказа.
Остальные результаты относятся к паяному соединению теплоотвода и месту спайки скруток при использовании сплава SACX на двух различных односторонних печатных платах. Использованный диэлектрик состоял из стеклотекстолита, бумажного слоистого пластика (CEM-1) и бумажных слоев, пропитанных фенольными смолами (FR1). В обоих примерах использовалось защитное покрытие на основе канифоли. Механизмом отказа стало нарушение структуры сплава. Поэтому паяные соединения были отмечены как соединения неудовлетворительного качества. После воздействия резким перепадом температур (300 термоударов) припаянная скрутка отслоилась и треснула.
Последнее паяное соединение сплавом Sn/Cu/Ni соответствует жёсткому выводному контакту с использованием пропитанных фенольными смолами слоев бумаги в качестве материала диэлектрика (FR1). При этом печатная плата была покрыта защитным слоем на основе канифоли. Проверка показала, что данное паяное соединение не соответствует требованиям качества и поэтому признано неудовлетворительным. Установлено, что причиной отказа стали плохое смачивание выводного контакта и усталость паяного соединения (нарушение структуры сплава). В результате проведения испытания на стойкость к резкому изменению температуры произошло полное разрушение паяного соединения.
В числе других механизмов отказа - такие как разрыв галтели вследствие отверждения припоя, а также изменение скорости отверждения, вызванное тепловой массой выводов больших компонентов или самими компонентами. Предположительно, отслоение паяного соединения произошло из-за теплового напряжения и деформации в процессе охлаждения изделия и различия в скорости отверждения припоя. Термическая усталость припоя в данном исследовании представлена процессом интрузии и экструзии припоя, а также образованием пустот. Следует отметить, что паяные соединения с большими пустотами склонны к полному разрушению. В ходе данного исследования пустоты обнаружены у обоих сплавов, при этом у сплава SACX вероятность образования даже немного выше. Пустоты могут образовываться в процессе удаления газов из фольгированного диэлектрика вследствие недостаточной металлизации и захвата летучих органических соединений из-за недостаточного нагревания перед пайкой волной. Также необходимо добавить, что все проанализированные в исследовании паяные соединения успешно прошли испытания несмотря на наличие пустот. В связи с этим можно предположить, что одним из основных факторов, влияющих на успешное прохождение электроконтроля, является правильно спроектированный электронный узел.
Основываясь на результатах, полученных в ходе многофакторной оценки процесса волновой пайки, установлено, что наиболее эффективное сочетание материалов, соответствующее самым строгим эксплуатационным требованиям надёжности, состоит из фольгированного диэлектрика типа FR4 с иммерсионным оловом в качестве финишного покрытия контактных площадок. Тем самым, по результатам выявленных механизмов отказа для волновой пайки выбран сплав SACX. Механизм снятия поверхностного напряжения у двух сплавов значительно отличается. В процессе снятия остаточного напряжения с соединения, выполненного с использованием сплава Sn/Cu/Ni, обнаружился угловой излом и поверхностная усталость, которые могут привести к полному разрушению паяного шва. В свою очередь, при снятии напряжения с паяных соединений, образованных применением сплава SACX, обнаружилось огрубление поверхности паяного соединения без углового излома. Можно предположить, что интерметаллические соединения Ag3Sn выступают в качестве преграды распространению излома, наделяя сплав SACX улучшенными защитными характеристиками против термической усталости. Результаты исследований показывают, что интерметаллические соединения Ag3Sn могут препятствовать распространению излома или изменять направление его распространения при ориентации перпендикулярно границам зёрен в припое.
Заключение
По результатам проведенного тестирования был выбран сплав SACX благодаря оптимальной стоимости владения, более высоким показателям надёжности, включающим лучшее качество, более высокую скорость смачивания, низкое шлакообразование и улучшенное сопротивление к термической усталости. Для проведения аналогичного исследования требуется определение соответствующего плана эксперимента и глубокое изучение всех процессов пайки. Первоначальная отработка технологии производства необходима для качественного процесса сборки печатных узлов и значительного снижения стоимости владения изделием. При желании провести документальное и инструментальное тестирование припоев SACX обращайтесь к дистрибьютору материалов Alphametals на Вашей территории.
Список использованной литературы:
- Стивен О. Данфорд, д. филос. н. Энтони Примавера, Майкл Мейлунас - «Микростуктурная эволюция и механизмы разрушения в бессвинцовых паяных соединениях в диапазоне от -40°С до 125°С», по стандарту IPC 2002, Новый Орлеан, Лос-Анджелес.