Бессвинцовые технологии в производстве печатных плат

Аркадий Медведев

Введение

   Во всем мире ширится движение за сохранение экологической чистоты нашей планеты. Не осталась в стороне и бурно развивающаяся отрасль мировой индустрии, которая производит электронные компоненты, использующиеся в электронном оборудовании промышленного и бытового назначения. Начало было положено путем внедрения новой бессвинцовой технологии производства электронных компонентов, не содержащих свинца как одного из опасных токсических веществ, накапливающихся в организме человека. Основанием для этой непростой работы явился принятый в 2002 г. Европейским союзом закон о конечном сроке жизни транспортных средств, содержащих избыточно большое количество свинца. В продолжение этой инициативы Парламент ЕС принял более жесткий закон о запрещении применения опасных для здоровья веществ - RoHS (Restriction of Hazardous Substances). Закон вступил в силу в августе 2004 г. и устанавливает, что к 1 января 2006 г. все электронные компоненты и оборудование, поставляемые в Европу, не должны содержать свинец, ртуть, кадмий и шестивалентный хром.

   К этому движению также присоединилась Япония и в некоторой степени Америка. Таким образом, Россия и страны СНГ поставлены перед фактом, что начиная с 2006 г. в них будут поставляться только бессвинцовые компоненты, что в действительности уже и происходит. К сожалению, в разных странах, производящих электронные компоненты, подобные законы не идентичны. Кроме того, не согласованы системы обозначения бессвинцовых компонентов, каждая производящая компания разрабатывает собственный график перевода продукции на новую бессвинцовую технологию. По этим причинам российские производители в ближайшее время могут попасть в ситуацию, когда они не будут знать, какую в действительности комплектацию получают - традиционную, новую бессвинцовую или смешанную. Между тем, технология пайки бессвинцовых компонентов отличается от традиционной и температурой пайки и составом припоя, и составом флюса, и некоторыми другими аспектами.

   Для упрощения работы разработчиков и производителей электронного оборудования ведущие фирмы, производящие электронные компоненты, размещают на своих сайтах достаточно подробную информацию, касающуюся этого вопроса. Безусловно, каждый производитель электронного оборудования принимает самостоятельное решение об использовании той или иной технологии пайки комплектующих на печатную плату, но наша компания как поставщик широкого спектра электронных компонентов советует ознакомиться с рекомендациями известных мировых фирм - носителей передового научно-технического потенциала. Ниже приведены: нормативная документация, ссылки на сайты фирм производителей электронных компонентов, а также ряд статей, посвященных этому вопросу.

Нормативная документация

• Основополагающие документы по RoHS/WEEE: Финальная директива Европейского Союза по RoHS (англ. язык)
• Финальная директива Европейского Союза по WEEE (англ. язык)
• Часто задаваемые вопросы по WEEE & RoHS (англ. язык)

Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса

   Если говорить о принципиальных моментах, то бессвинцовая пайка практически ничем, кроме температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. Однако могут потребоваться некоторые изменения на определенных операциях техпроцесса. Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на характеристики припойной пасты. Могут измениться такие свойства паст, как срок службы и хранения, текучесть, что потребует изменения конструкции ракеля и режимов оплавления.

   При воздействии повышенной температуры пайки может произойти вспучивание корпусов ИС, растрескивание кристаллов, нарушение функционирования схем. Схожие эффекты возникают и в печатных платах. Под действием температуры происходит расслоение основания, ухудшается плоскостность, что отрицательно сказывается на точности установки ИС, особенно в корпусах больших размеров.

  Для оценки влияния повышенной температуры и более длительного времени пайки требуется переаттестация существующей технологии пайки. Такие исследования сегодня проводятся SEMI и JEDEC. Что касается оплавления, то влияние бессвинцовой пайки неодинаково на различных стадиях процесса. Все основные изменения связаны, в первую очередь, с более высокой температурой пайки. Требуется более тщательный выбор компонентов и материалов основания платы. Другие проблемы касаются охлаждения устройства и поддержки платы. Особенно чувствительны к скорости охлаждения многокомпонентные сплавы, содержащие более двух металлов. В таких припоях могут образовываться различные интерметаллические соединения в зависимости от скорости охлаждения.

   Исследования стандартной технологии монтажа на поверхность и пайки волной припоя показали, что выбор сплава оказывают влияние как экономические, так и технологические факторы. Так, например, сплавы на основе индия весьма дороги, их нерационально использовать для пайки волной, когда необходимо загружать в ванну большое количество припоя. Однако этот материал может быть с успехом применен для изготовления выводов flip-chip-кристаллов. Технологии всех составляющих процесса производства постоянно совершенствуются. Большинство вопросов связанных с технологическим процессом пайки уже решены. Производители приводят достаточно подробную информацию по способу процесса пайки выпускаемых ими изделий на своих сайтах в соответствующих разделах.

Бессвинцовые припои

   В последние несколько лет стремительно развивался процесс перехода к новому типу припоев - бессвинцовым припоям. Родоначальниками в данной области считаются японские производители, которые уделяют большое внимание охране окружающей среды и стремятся получить новую безопасную и перспективную технику сборки печатных плат. Основными причинами перехода к новому типу припоев (помимо экологической безопасности) являются более высокие эксплуатационные характеристики таких припоев. Однако существует ряд причин, по которым промышленное применение такого типа припоев до сих пор ограничено. Дело в том, что бессвинцовый тип припоев имеет более высокую температуру пайки, что сказывается на сложности паяльного оборудования: приходится выдерживать более узкую границу термопрофиля (рис. 1).

рис. 1

    Оборудование должно иметь термодатчики расположенные по всей площади нагрева печатной платы и контролировать термопрофиль в режиме реального времени. Естественно, что переоборудование сборочного цеха для использования бессвинцового типа припоев экономически невыгодно для производителей, однако, по мнению специалистов, борьба за чистоту окружающей среды и требования к повышению качества пайки при постоянной тенденции уменьшения размеров устройств, приведут к полному переходу электронной промышленности на безсвинцовые припои к концу 2005 года.

Подбор оптимального термопрофиля

    При использовании бессвинцовых припойных паст разница температур между участками плат с большей массой и меньшей должна быть минимальной. Это достигается правильно подобранным температурным профилем пайки. Уменьшить разницу температур позволяют следующие методы:

- Увеличение времени предварительного нагрева. Этот метод позволяет в значительной степени уменьшить температурную разницу, однако при увеличении времени предварительного нагрева происходит испарение флюса, что приводит к ухудшению смачиваемости из-за окисления спаиваемых поверхностей.

- Увеличение температуры предварительного нагрева. Обычно температура предварительного нагрева 140-160°С, однако для бессвинцовых припойных паст она может быть увеличена до 170-190°С. Так как температура преднагрева повышена, скачок температур между этапом преднагрева и пайки будет меньше чем в обычном термопрофиле, следовательно не будет такой заметной разницы температур различных участков печатной платы, вызванной разной скоростью нагрева. Недостаток этого метода, как и предыдущего, заключается в быстром испарении флюса (еще на этапе предварительного нагрева), что сказывается на надежности пайки.

- Трапециевидный термопрофиль (рис. 2).

рис. 2

   Используя такую форму термопрофиля современные печи оплавления позволяют уменьшить температурную разницу между 45 мм BGA и корпусом SO микросхемы до 8°С, что считается приемлемым.

(по материалам фирмы КОМПЭЛ, ...продолжение следует)

Дополнительная литература

материалов конференции «Подготовка к введению европейской Директивы RoHS»:

СОВРЕМЕННЫВЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕССВИНЦОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ (А.Вотинцев)

Бессвицовые технологии - требование времени, или прихоть законодателей от экологии? (В.Григорьев)

БЕССВИНЦОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖНОЙ ПАЙКИ. ЧТО НАС ОЖИДАЕТ? (Аркадий Медведев)