Москва: +7 (499) 110-36-94 , mos@contractelectronica.ru
Санкт-Петербург: +7 (499) 110-36-94 , spb@contractelectronica.ru

 
Slider

Оптимизация параметров процесса пайки оплавлением компонентов 0201 в массовом производстве

Оптимизация параметров процесса пайки оплавлением компонентов 0201 в массовом производстве*

Результаты исследований, представленные в этой статье, помогут решить ряд проблем, связанных с пайкой оплавлением компонентов типоразмера 0201 при массовых объемах производства. Основные параметры, принимаемые во внимание в рамках данного исследования, включают в себя конструкцию контактной площадки (КП), трафарета, расстояние между соседними ЭК, их ориентацию, тип флюса и атмосферу при пайке оплавлением. В качестве главных результатов эксперимента выступали выход годных и качество сборки. При определении выхода годных учитывались такие дефекты сборки, как эффект «надгробного камня», припойные перемычки, шарики припоя. Качество процесса сборки определялось по форме паяного соединения, его внешнему виду и объему (недопустимо малое, допустимое либо недопустимо высокое). Отмечено, что сочетание типа флюса и атмосферы при пайке оказывает наибольшее влияние на количество появляющихся при сборке дефектов. Лучшие показатели по выходу годных продемонстрировали платы, собранные с применением паяльной пасты с флюсом, не требующим отмывки, в воздушной атмосфере при наибольшей устойчивости к варьированию размеров КП. Наоборот, процессы сборки с пастой, не требующей отмывки, в азотной атмосфере при пайке обнаружили наибольшее число дефектов и были наиболее чувствительны к изменениям конструкции КП.

Версия в PDF (1538Kb)

Введеиие

Развитие технологии поверхностного монтажа сопровождает постоянное уменьшение размеров и веса электронных изделий. Уменьшение размеров как пассивных, так и активных ЭК в сочетании с развитием технологии производства печатных плат ведет к созданию миниатюрных, легких и более производительных конечных изделий. В течение целого ряда лет преобладало использование компонентов типоразмеров 0603 и 0402. Эти типоразмеры с успехом используются при больших объемах производства с очень высоким процентом выхода годных. Однако внедрение ЭК 0201 в устройствах с высокой плотностью компоновки, размер которых составляет примерно одну четвертую от 0402, способно серьезно снизить надежность процесса и уменьшить выход годных. В данной статье представлены результаты исследования, цель которого — определить влияние отдельных параметров сборки и конструкции платы на выход годных при пайке таких компонентов методом оплавления в массовом производстве.

Для определения оптимальной конструкции КП проводился полнофакторный эксперимент по 27 различным типоразмерам КП (3 уровня варьирования значений расстояния между КП, ширины и длины КП). С каждым типоразмером КП тестировались трафареты с пятью различными конструкциями апертур. Флюсы, не требующие отмывки, и водосмывае-мые флюсы исследовались при пайке как в воздушной, так и в азотной атмосфере. Расстояние между соседними ЭК исследовалось на четырех уровнях без поворота и при повороте 90°. Основными фиксированными параметрами эксперимента являлись толщина трафарета, метод его изготовления, покрытие КП, тип паяльной маски, параметры процесса трафаретной печати, система монтажа компонентов, профиль и система оплавления. движущие факторы и параметры рынка для 0201-компонентов

В процессе продолжающейся миниатюризации бытовой электроники размер ЭК снизился с 1210 и 1206 в 1980-е гг. до 0402 и 0201 на рубеже веков. Основным движущим фактором являлось требование повышения производительности при снижении размеров корпусов и стоимости. На рисунке 1 показана эволюция мобильных телефонов в отношении их веса, размера и стоимости.

Эволюция сотовых телефонов

Рис. 1. Эволюция сотовых телефонов

Компоненты 0201 на 75% меньше, чем 0402, как по объему, так и по весу. Компоненты 0201 также занимают на 66% меньшую площадь на плате по сравнению с 0402. Благодаря этим компонентам возможно значительное снижение размеров, веса и объема переносных и портативных бытовых электронных изделий. На рисунке 2 показано сравнение типоразмеров ЭК 1206, 0805, 0603, 0402 и 0201.

Сравнение типоразмеров ЭК

Рис. 2. Сравнение типоразмеров ЭК

Материалы и сборочное оборудование для проведения теста

Для проведения эксперимента была разработана тестовая плата, содержащая как компоненты 0201, так и компоненты 0402. Рисунок 3 представляет собой фотографию тестовой платы для компонентов 0201.

Фотография тестовой платы для компонентов 0201

Рис. 3. Фотография тестовой платы для компонентов 0201

ПП — односторонняя, шириной 7,5" (190,5 мм), длиной 12,5" (317,5 мм), стандартной толщины 0,062» (~1,6 мм). Покрытие КП — чистая медь с покрытием Entek Plus (OSP). Для изготовления всех КП и проводящих дорожек использовалось медь толщиной 0,5 унции на 1 кв. фут (~0,018 мкм). Применялась паяльная маска Taiyo PRS4000. В процессе полнофакторного эксперимента использовались комбинации трех различных значений длины, ширины КП и расстояния между ними (как для компонентов 0201, так и для 0402), образующие 27 различных типоразмеров КП. Из 120 КП каждого типоразмера была составлена строка тестовой платы. Каждая строка была промаркирована трехбуквенным кодом, составленным на основе из таблицы 1, в которой перечислены размеры КП всех трех уровней для компонентов 0201.

Например, вариант типоразмера КП для компонента 0201 будет иметь обозначение АБО (ширина А = 0,012" (~0,305 мм), длина Б = = 0,008" (~0,203 мм), расстояние между площадками О = 0,009" (~0,229 мм)). Исследовались четыре значения расстояния между соседними ЭК: 0,008" (~0,203 мм), 0,012" (~0,305 мм), 0,016" (~0,406 мм) и 0,020" (0,508 мм). Для исследования этого расстояния были выполнены блоки по 30 ЭК с фиксированным типоразмером КП. Все дорожки, подведенные к КП, выходили со сторон КП на торцах компонентов, что позволяло проводить исследование только расстояния между боковыми (не торцевыми) сторонами компонентов. Заполненная тестовая плата содержит 12 960 компонентов. Пояснения к размерной схеме КП для компонентов 0201 показаны на рисунке 4.

Размерная схема КП

Рис. 4. Размерная схема КП

Тестовая плата была спроектирована как для ориентации ЭК без поворота, так и ориентации под 90° для всех типоразмеров. На рисунке 5 показана ориентация ЭК относительно направления движения ПП в печь оплавления.

Ориентация ЭК относительно направления перемещения ПП и печи оплавления

Рис. 5. Ориентация ЭК относительно направления перемещения ПП и печи оплавления

Трафаретная печать при эксперименте проводилась с использованием выполненного лазерной резкой трафарета из нержавеющей стали толщиной 0,005" (0,127 мм). Рисунок 6 представляет собой фотографию апертур трафарета, предназначенного для нанесения пасты на КП типоразмера BEG.

Фото трафарета, выполненного лазерной резкой

Рис. 6. Фото трафарета, выполненного лазерной резкой

Расстояние между апертурами трафарета составляет ~0,008» (~0,203 мм). Трафареты не были подвергнуты микротравлению, гальваническое финишное покрытие на них также не наносилось. Толщина 0,005" (0,127 мм) была выбрана в качестве компромиссной величины между 0,004" (~0,1 мм) и 0,006" (~0,15 мм). Более тонкий 0,004" (~0,1 мм) трафарет облегчит отделение отпечатков пасты от апертур для компонентов 0201, но одновременно естественным образом уменьшит объем наносимой пасты для других SMD-компонентов, которые обычно встречаются в большинстве устройств. Трафарет толщиной 0,006" (~0,15 мм) не был выбран по причине неприемлемого качества прохождения пасты через апертуры, которое имело бы место для компонентов 0201. Металлическая маска была размещена с выравниванием по центру трафаретной рамы размером 29" х 29" (736,6 х 736,6 мм). Для проекта было изготовлено два трафарета. Трафарет 1 был разработан для первого (отфильтровывающего) эксперимента. Тестировались пять различных апертур трафарета для каждого типоразмера КП. Трафарет 2 был сделан по результатам эксперимента с трафаретом 1. Для каждого типоразмера КП использовался только один размер апертуры трафарета 2. Таблица 2 содержит размер апертуры трафарета, расстояние между отпечатками пасты (апертурами трафарета) и расположение апертур для трафарета 2. На рисунке 7 изображены три различных вида расположения апертур трафарета относительно центра ЭК, которые использовались при эксперименте.

Расположение апертур трафарета по отношению к КП

Рис. 7. Расположение апертур трафарета по отношению к КП

Таблица 1. Матрица размеров КП для компонентов 0201

Ширина КП = W, " (мм)

A = 0,012 (~0,305)

B = 0,015 (0,381)

C = 0,018 (~0,457)

Длина КП = L, " (мм)

D = 0,008 (~0,203)

E = 0,012 (~0,305)

F = 0,016 (~0,406)

Расстояние между КП = S, " (мм)

G = 0,009 (~0,229)

H = 0,012 (~0,305)

I = 0,015 (0,381)

Таблица 2. Размер и расположение апертур трафарета 2 для компонентов 0201

Типоразмер КП

Размер апертуры трафарета, " (мм)

Расстояние между отпечатками, " (мм)

Расположение апертуры, " (мм)

ADG

0,015 х 0,009 (0,381 х ~0,229)

0,010 (0,254)

смещена на 0,001 (0,0254) наружу

ADH

0,015 х 0,009 (0,381 х ~0,229)

0,011 (~0,279)

Отцентрирована

AEG

0,015 х 0,011 (0,381 х ~0,279)

0,016 (0,406)

смещена на 0,003 (0,0762) наружу

AEH

0,015 х 0,013 (0,381 х ~0,330)

0,012 (~0,305)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

AFG

0,012 х 0,015 (~0,305 х 0,381)

0,009 (~0,229)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

AFH

0,014 х 0,016 (~0,356 х ~0,406)

0,012 (~0,305)

Отцентрирована

BDG

0,018 х 0,009 (~0,457х ~0,229)

0,011 (~0,279)

смещена на 0,0015 (0,0381) наружу

BDH

0,018 х 0,009 (~0,457 х ~0,229)

0,012 (~0,305)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

BEG

0,015 х 0,011 (0,381 х ~0,279)

0,009 (~0,229)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

BEH

0,015 х 0,011 (0,381 х ~0,279)

0,010 (0,254)

смещена на 0,0005 (0,0127) внутрь

BFG

0,015 х 0,015 (0,381 х 0,381)

0,009 (~0,229)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

BFH

0,017 х 0,016 (~0,432 х ~0,406)

0,012 (~0,305)

Отцентрирована

CDG

0,021 х 0,009 (~0,533 х ~0,229)

0,011 (~0,279)

смещена на 0,0015 (0,0381) наружу

CDH

0,021 х 0,009 (~0,533 х ~0,229)

0,012 (~0,305)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

CEG

0,018 х 0,011 (~0,457 х ~0,279)

0,009 (~0,229)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

CEH

0,018 х 0,011 (~0,457 х ~0,279)

0,010 (0,254)

смещена на 0,0005 (0,0127) внутрь

CFG

0,018 х 0,015 (~0,457 х 0,381)

0,009 (~0,229)

смещена на 0,0005 (0,0127) наружу

CFH

0,020 х 0,016 (0,508 х ~0,406)

0,012 (~0,305)

Отцентрирована

Для проекта использовались как не требующий отмывки, так и водорастворимый составы пасты. Оба типа паст имели 90%-ное содержание припойного порошка типоразмера IV. Одна не требующая отмывки и одна водосмываемая пасты были выбраны как представители наиболее распространенных составов флюсов. Два типа паяльных паст были поставлены двумя различными производителями. Вязкость обеих паст — примерно 900 ксПз. На рисунке 8 изображена фотография паяльной пасты, нанесенной на КП типоразмера BEG. Фотография показывает отношение высоты отпечатка пасты к его площади.

Паяльная паста, нанесенная на КП типоразмера BEG

Рис. 8. Паяльная паста, нанесенная на КП типоразмера BEG

Для трафаретной печати использовался принтер DEK 265 GSX. Для всех процессов печати применялись следующие параметры:

а) скорость печати — 1,0 дюйм/с (2,54 см/с);

б) тип ракеля — металлические лезвия (Transition Automation);

в) угол наклона ракеля — 60°;

г) давление ракеля — 2,3 фунта/ дюйм длины ракеля (~410,7 г/см);

д) зазор при печати — 0 (контактный способ печати);

е) скорость отделения трафарета от

ПП — 0,02 дюйм/с (0,508 мм/с).

На рисунке 9 представлена фотография нанесенной паяльной пасты на КП типоразмера BEG при расстоянии между компонентами 0,008" (~0,203 мм). Также даны размеры КП.

Паяльная паста, нанесенная на КП типоразмера BEG (вид сверху)

Рис. 9. Паяльная паста, нанесенная на КП типоразмера BEG (вид сверху)

На рисунке 10 представлена фотография нанесенной паяльной пасты на КП типоразмера CEG при расстоянии между компонентами 0,008" (~0,203 мм). Также даны размеры КП.

Паяльная паста, нанесенная на КП типоразмера ОБй (вид сверху)

Рис. 10. Паяльная паста, нанесенная на КП типоразмера ОБй (вид сверху)

Все операции установки ЭК в данном проекте выполнялись на автомате Universal 4796R HSP. Всегда использовалась автоматическая коррекция положения захваченного ЭК по осям X и Y, что повышает надежность захвата компонентов. Применялся полный контроль по оси Z (по высоте) при захвате и установке ЭК, чтобы повысить надежность захвата и гарантировать, что в процессе эксперимента к компоненту не прилагалось избыточное либо неправильное давление при монтаже. Все компоненты подавались из лент. Для привязки к ПП использовались два реперных знака. На рисунке 11 показана фотография компонентов 0201, установленных на сырую паяльную пасту, нанесенную на КП типоразмера BEG.

Компоненты 0201, установленные на сырую паяльную пасту, нанесенную на КП типоразмера BEG

Рис. 11. Компоненты 0201, установленные на сырую паяльную пасту, нанесенную на КП типоразмера BEG

На рисунке 12 показана фотография компонентов 0201, установленных на сырую паяльную пасту, нанесенную на КП типоразмера CEG. Обе фотографии демонстрируют минимальное смещение отпечатка пасты, вызванное установкой ЭК.

Компоненты 0201, установленные на сырую паяльную пасту, нанесенную на КП типоразмера ОБО

Рис. 12. Компоненты 0201, установленные на сырую паяльную пасту, нанесенную на КП типоразмера ОБО

Все процессы оплавления пасты проводились в печи оплавления с принудительной конвекцией Heller 1800W. Система оплавления содержала 8 зон нагрева и 1 зону охлаждения. В процессе эксперимента использовались два типа сред при оплавлении — воздушная и азотная, при использовании которой измеренный уровень кислорода в зоне оплавления был <50%о.

Определение дефектов

В процессе проведения экспериментов на тестовой плате оценивались пять типов дефектов сборки. Все эти дефекты определяются и описываются в данном разделе.

Эффект «надгробного камня» (открытые паяные соединения) представляет собой значительное смещение ЭК от заданного положения, при котором компоненты встают на один из своих торцов [1]. Вызывается эффект «надгробного камня» рядом различных воздействий. Наиболее распространенная причина образования данного дефекта — неравномерный нагрев двух концов компонента. Одна из сторон компонента достигает температуры ликвидуса раньше, чем другая, в результате чего силы поверхностного натяжения расплавленного припоя перетягивают ЭК, заставляя его подниматься. Скорость смачивания флюсом или время, которое требуется для смачивания припоем, также является важным фактором в образовании эффекта «надгробного камня». Выводы ЭК и/или КП, которые имеют плохую паяемость, увеличивают возможность образования этого дефекта. Термопрофили, обеспечивающие слишком быстрый нагрев или не предоставляющие достаточного времени для активации флюса, также увеличивают эту возможность. Пример эффекта «надгробного камня» представлен на рисунке 13, где дефектный компонент поднялся вертикально на нижней КП.

Эффект надгробного камня

Рис. 13. Эффект «надгробного камня»

Припойные перемычки — недопустимое формирование припойных соединений между проводящими дорожками [1]. Образование таких перемычек характеризуется объемом припоя, соединяющего два располагающихся друг за другом ЭК, как это показано на рисунке 14, когда ЭК притянуты друг к другу. Это стягивание компонентов вызвано силами поверхностного натяжения расплавленного припоя, действующими между ЭК в процессе оплавления. Образование припойных перемычек, происходящее в процессе пайки оплавлением при массовых объемах производства, обычно вызвано неправильным нанесением паяльной пасты. Соединение сырых отпечатков пасты либо флюса между двумя компонентами приводит к высокой вероятности образования паяных перемычек. Смещение отпечатка пасты, вызванное установкой ЭК, плохая паяемость вывода ЭК и/или КП, неправильный температурный профиль и проблемы, связанные с паяльной пастой, — все это может вызвать при-пойные перемычки. Неправильная конструкция КП и большие объемы наносимой пасты также увеличивает вероятность их образования.

Припойные перемычки

Рис. 14. Припойные перемычки

Шарики (бисерины) припоя — маленькие сферические припойные образования, которые прилипают к верхнему слою ПП, маске либо проводящему рисунку. Шарики (бисерины) припоя, которые преимущественно образуются в результате смещения паяльной пасты относительно места установки ЭК, не следует путать с при-пойным бисером (сателлитами), вызываемыми, как правило, проблемами с паяемостью пасты, компонентов, плат, а также средой пайки и/или термопрофилем. Смещение паяльной пасты с паяемых поверхностей было основной причиной образования шариков припоя в данном эксперименте. Толщина трафарета, конструкция его апертур в сочетании с правильной конструкцией КП устранят появление большинства шариков (бисерин) припоя. На рисунке 15 показаны шарики припоя, наблюдаемые на тестовой плате.

Шарики припоя

Рис. 15. Шарики припоя

Недостаточный объем паяного соединения в рамках данного исследования трактовался как любая галтель, простирающаяся вверх менее чем на 50% торцевой контактной поверхности ЭК. Слишком малый объем нанесенной пасты либо неправильное расположение отпечатка при трафаретной печати обычно является основной причиной получения недостаточного объема паяного соединения. Толщина трафарета, конструкция апертур, технология его изготовления, параметры процесса печати, размер частиц пасты и ее вязкость — основные параметры, влияющие на процесс трафаретной печати. На рисунке 16 показано сечение ЭК с недостаточным объемом паяного соединения.

Недостаточный объем паяного соединения

Рис. 16. Недостаточный объем паяного соединения

Избыточный объем паяного соединения в данном исследовании трактуется как любое паяное соединение с выпуклой галтелью. Большой объем нанесенной пасты либо неправильное расположение отпечатка при трафаретной печати обычно является основной причиной получения избыточного объема паяного соединения. Толщина трафарета, конструкция апертур, технология изготовления трафарета, параметры процесса печати, размер частиц пасты и ее вязкость — основные параметры, влияющие на процесс трафаретной печати. На рисунке 17 показано сечение ЭК с избыточным объемом паяного соединения.

Методика контроля

Контроль тестовых плат проводился вручную с применением координатно-измерительной установки (КИУ), которая предоставляла возможность простого сканирования каждой строки и при этом обеспечивала достаточное увеличение для осмотра каждого отдельного ЭК. Для визуального контроля каждого ряда на тестовой плате использовалась оптическая измерительная микроскопическая головка КИУ. Каждый ряд ЭК, как с ориентацией без поворота, так и с поворотом на 90°, был осмотрен на предмет наличия дефектов. Если

в каком-то ряду дефекты были обнаружены, то записывался их характер и количество.

результаты

В рамках проекта выполнялось два эксперимента. Первый (отфильтровывающий) эксперимент был основан на выполнении четырех различных процессов, при которых не требующие отмывки и водосмываемые пасты оплавлялись в воздушной и азотной средах. Для каждого из четырех процессов осуществлялась сборка шести полностью укомплектованных компонентами плат, при этом общее количество ЭК составило 311 040. Были протестированы пять различных размеров/позиций апертур для каждого размера КП.

Во второй и последний эксперимент входило выполнение только трех из четырех процессов. Водосмывае-мая паста, оплавленная в атмосфере азота, была исключена из опыта. Комбинация водосмываемой пасты и азотной среды при пайке обычно не используется. В рамках второго эксперимента использовалась только одна конструкция апертуры трафарета на один типоразмер апертуры. Использованные конструкции апертур трафарета приведены в таблице 2. Конструкция апертуры выбиралась на основе выхода годных и качества сборки по данным эксперимента 1. Все большие расстояния между КП (I = 0,015" = 0,381 мм) были исключены из опыта, т.к. данные, полученные из эксперимента 1, показали, что такие расстояния вызывали большее количество открытых паяных соединений, чем КП с меньшим расстоянием.. Это уменьшило общее количество типоразмеров КП с 27 до 18. В рамках

 

Рис. 17. Избыточный объем паяного соединения

каждого из трех процессов было собрано 50 плат с суммарным количеством ЭК, равным 1 116 000 шт.

На рисунке 18 представлен выход годных по трем различным процессам сборки. Паста, не требующая отмывки, оплавленная в воздушной среде, показала наименьшее количество дефектов (в сумме 66). Водосмываемая паста, оплавленная в воздушной среде, имела следующие по дефектности

показатели на уровне 1499. Не требующая отмывки паста, оплавленная в азотной среде, продемонстрировала наибольшее количество дефектов сборки — 5665. Рисунок 19 показывает, что количество дефектов сборки увеличивается при использовании азотной атмосферы, а также с увеличением активности флюса в составе пасты (водосмываемая паста). На рисунке 20 показано распределение вида отказов для каждого из трех сборочных процессов. Основными двумя сбороч-

ными дефектами являлись эффекты «надгробного камня» и припойные перемычки. Водосмываемая паста, оплавленная в воздушной среде, вызвала образование наименьшей доли перемычек (7%); за ней следует не требующая отмывки паста, оплавленная в азотной среде (15%). Паста, не требующая отмывки, оплавленная в воздушной среде, продемонстрировала наибольшую долю перемычек (21%).

На рисунке 20 показана связь между образованием перемычек и расстояни-

ем между ЭК для трех различных сборочных процессов. Образование паяных перемычек не отмечено для любого сборочного процесса при расстоянии между ЭК, равном или большем 0,012" (~0,305 мм). Не требующая отмывки паста, оплавленная в воздушной среде, вызвала образование наименьшего количества перемычек — в сумме 14. Водосмываемая паста, оплавленная в воздушной среде, имела показатели по образованию перемычек на уровне 99. Не требующая отмывки паста, оплавленная в азотной среде, продемонстрировала наибольшее количество перемычек — 866. 12 из 18 типоразмеров КП вообще не вызвали образования перемычек при наименьшем расстоянии, равном 0,008" (~0,203 мм) для пасты, не требующей отмывки, оплавленной в воздушной среде; 10 из 18 — для во-досмываемой пасты, оплавленной в воздушной среде; 6 из 18 — для не требующей отмывки пасты, оплавленной в азотной среде.

Типоразмер КП AEG (L = 0,012" * * 0,305 мм, W = 0,012" * 0,305 мм, S = 0,009" * 0,229 мм), который имеет максимальное расстояние между отпечатками пасты (0,016" * 0,406 мм), продемонстрировал образование наименьшего количества шариков припоя. Количество шариков уменьшается с увеличением расстояния между отпечатками пасты. Смещение отпечатка пасты корпусом ЭК при его установке уменьшается с увеличением расстояния между отпечатками пасты.

Для оценки степени влияния ориентации ЭК (0° и 90°) на выход годных применялся анализ парных выборок. В случае ориентации без поворота оба вывода ЭК проходят через печь одновременно (параллельно источнику нагрева). В случае ориентации под 90° один из выводов ЭК движется через печь впереди второго. Оценивались следующие гипотезы:

— Нулевая гипотеза: Z = 0. Нет статистически значимого различия в количествах дефектов сборки между ориентациями без поворота и под 90°.

— Альтернативная гипотеза: Z Ф 0. Существует статистически значимое различие в количествах дефектов сборки между ориентациями без поворота и под 90°.

— t-критерий: t = (Vn-u)/s [2].

Значение P для пасты, не требующей отмывки, оплавленной в воздушной среде, составило 0,5765.