Пайка без пустот ответственных электронных узлов в автомобильной промышленности

Производство силовой электроники требует от сборочного оборудования рекордных производственных мощностей: при сборке печатных узлов все больше и больше применяют сложные, высокомощные и дорогие силовые модули. Наличие пустот в паяном соединении является фактором, снижающим надежность соединения, поэтому проблеме появления пустот в процессе производства электроники, сегодня уделяется особое внимание.

Автор статьи: Мариза Робль Косе
Перевод: Олег Полухин, Редактор: Игорь Щербаков

В открытой дискуссии, посвященной пайке ответственных электронных узлов без образования пустот, на международной выставке Productronica 2015 принимали участие ведущие специалисты от производителей мирового уровня: как производители трафаретных принтеров, печей оплавления и инспекционных систем так и эксперты в области материалов и трафаретов. Открытая дискуссия 10-ти специалистов превратилась в неофициальное совещание самых крупных производителей оборудования – это настоящий рекорд по количеству участников, так как еще в истории выставки не собиралось вместе такое количество экспертов в рамках часовой дискуссии.

Основной темой обсуждения стала проблема появления пустот в процессе пайки. Особенно остро встает проблема при переходе на бессвинцовую технологию, так как мнения производителей электроники по данному вопросу зачастую расходятся. В связи с тем, что спрос на высоконадежные электронные узлы постоянно растет, необходимо оптимизировать процесс изготовления печатных узлов и координировать работу производителей. Пустоты в паяных соединениях влияют не только на качество изделия, но и особенно – на надежность, когда со временем эксплуатации они могут образоваться в местах, где под нагрузкой возникает напряжение внутри паяного соединения. В этом случае или сокращается диапазон применения такого изделия или оно попросту отказывает.

По этой причине, вопросу минимизации образования пустот уделяется сегодня пристальное внимание. Для относительно полного удаления пустот из жидкого припоя, производители разрабатывают различные технологии, которые позволяют достичь надежного паяного соединения: пайка в вакууме, пайка с избыточным давлением, технология низкотемпературного спекания серебряного порошка (Sinter технология), пайка в парогазовой среде или диффузионная пайка – при таком обилии технологи «ломают» голову над выбором правильного решения. Однако, чтобы выбрать какую-либо технологию, необходимо обратить внимание на ряд факторов самого процесса производства, которые и будут освещены в ходе дискуссии.

Как обеспечить образование оптимального интерметаллического соединения без повреждения компонентов и с минимально возможным количеством пустот? К сожалению, панацеи в решении данной задачи на данный момент не существует. Более того, в рамках часовой дискуссии ответить на столь комплексный вопрос оказалось невозможным.

Для производителей электроники, в особенности силовой, приоритетной задачей является надежность изделия. Тут же встает вопрос, требуется ли высокий коэффициент надежности на протяжении всего срока эксплуатации изделия или нет? Свое мнение высказывает Виктория Равински, начальник группы развития новых технологий компании ERSA: «Есть исследования, которые показывают, что определенное количество пустот в паяных соединениях увеличивают показатели эластичности, но только при условии, что они равномерно распределены. Отсюда вопрос, когда пустоты становятся критичными? Для силовой электроники – всегда, так как воздух, а вместе с ним газообразные включения представляют собой изолятор, вследствие чего нарушается теплоотвод на больших поверхностях и это может стать причиной отказа».

Производители паяльных паст определенно могут внести вклад по предотвращению образования пустот, добавляет доктор Нилс Копп, начальник отдела исследований и разработок компании ELSOLD (один из ведущих производителей паяльных материалов). Однако дополняет, что в этом вопросе также играют важную роль процессы нанесения пасты и оплавления.

Пустоты образуются, а том числе, результате газовыделений из флюса, находящегося в объеме расплавленного припоя. Поэтому при выборе паяльной пасты следует обращать внимание на используемый флюс. Немаловажным является достижение быстрого интерметаллического соединения, что является сложной задачей в особенности при работе с бессвинцовыми припоями. Паяльная паста, процесс оплавления и поверхность печатной платы также играют роль, равно как и различные сплавы паяльных паст и шариков припоя, а также и сама конструкция BGA микросхем.

Существенным аспектом является процесс нанесения паяльной пасты, в связи, с чем Гаральд Грумм, ведущий специалист компании Christian Koenen (один из лидеров в области производства трафаретов) подчеркивает: «Нет субстанций, выделяющих газ – нет пузырьков. Как производители трафаретов, при проектировании мы уделяем особое внимание тому, чтобы паста была нанесена точно в те места, где она должна быть, а также, чтобы припой был распределен таким образом, чтобы добиться оптимального удаления пузырьков газа». Основная доля пузырьков образуется в припое, когда он находится в жидком состоянии. Гаральд признает: «Конечно, полностью проблему решить нельзя, но факт остается фактом: Чем меньше мы вносим газообразующих субстанций, тем лучше результат». Решающую роль при этом играет геометрия апертур и качество исполнения трафарета.

Производители паяльных паст как никто другой разбираются в специфике работы с флюсами. Для д-ра Нилса Коппа, представителя компании Elsold очевидно, что флюс в пасте дает совершенно разные эффекты – но вначале речь заходит о растворителе, содержащемся во флюсе. Раньше применяли растворители, которые испарялись довольно быстро. Это обеспечивало высокую скорость отверждения пасты. Сегодня же применяют растворители с высокой точкой кипения, что позволяет сократить образование пузырьков воздуха.  «Во-первых, мы удаляем остатки флюса, а во-вторых, медленное испарение позволяет сократить образование газов», поясняет он. Остальные компоненты флюса, такие как смола, также играют существенную роль: при высоких температурах в смоле появляются трещины, в результате чего образуется газ. Для решения этой задачи применяют химически модифицированные смолы, которые стабильны даже при очень высоких температурах. «Существенное влияние на образование пустот оказывает активность паяльной пасты и само соединение».

Тему химии и флюса продолжает Себастьян Клэрдинг, сервисный инженер компании Pink Thermosysteme (лидера в области производства систем вакуумной пайки для силовой электроники). В качестве альтернативной технологии он предлагает использовать преформы, которые часто применяют в силовой электронике. «Речь идет о полностью безфлюсовом процессе пайки, который мы реализуем в наших установках в среде муравьиной кислоты». Клэрдинг, однако, тут же добавляет: «Кроме этого, нам необходим активный процесс сокращения пустот. В наших установках это осуществляется посредством вакуума». В тоже время данная технология имеет свои сложности – «…для крепления преформ требуется специальная оснастка». Любая технология имеет свои преимущества и недостатки.

Ссылаясь на тему дискуссии «Пайка без пустот» д-р Ханс Бель, представитель REHM (мировой лидер в области производства печей оплавления) затронул тему трафаретной печати: «Одним из результатов исследования стало доказательство уменьшения пустот при увеличении объема паяльной пасты на поверхностях соединений кремниевых ИС, MOP-транзисторов и QFN». Такого же мнения придерживается Йенс Катшке, менеджер по продукту компании ASM Assembly Systems (один из крупнейших производителей высокоскоростных автоматов установки компонентов): «С помощью конструкции трафарета мы можем влиять на процесс нанесения паяльной пасты, тем самым открывая возможность уменьшить количество пузырьков газа». Он также акцентирует внимание на другом аспекте нанесения паяльной пасты: «Очень важным моментом является регулярная отмывка трафарета с нижней стороны, она должна быть точно настроена и работать без отказов». Немаловажным фактором является выбор и самих материалов, поэтому Йенс предупреждает: «Многие заказчики применяют материалы китайского производства, так как они дешевле, но зачастую они абсолютно непригодны для отмывки трафарета с нижней стороны».

Важность отмывки трафарета подтверждает Торстен Фегелан, менеджер по продуктам компании Ekra (один из крупнейших производителей трафаретных принтеров): «Сегодня мы применяем жидкости для отмывки, которые состоят больше из воды, чем из растворителя. Это позволяет качественно сушить трафареты после чистки в системах отмывки. Сырой трафарет может стать причиной переноса влаги на поверхность печатной платы. Последствия этого могут быть фатальными для всего производственного процесса».

Торстен Фегелан обращает внимание на трафареты, изготовленные с использованием плазменной обработки. «Экспериментально мы можем доказать, что трафареты с плазменной обработкой с нижней стороны сохнут гораздо хуже, чем трафареты, произведенные без нее. Зачастую специалисты в процессе производства не обращают на это внимания, но потом удивляются, почему результаты оказались хуже ожидаемых, ведь мы же применяли дорогие и высококачественные трафареты. Оказывается, что здесь важную роль играет поверхностное натяжение». Гаральд Грумм, представитель компании Christian Koenen, являющейся новатором в области применения плазменной обработки для производства трафаретов, не может не отметить: «Основной задачей плазменной обработки является снижение способности трафарета впитывать влагу. В результате такой обработки поверхность трафарета становится гидрофобной. Это существенно усложняет процесс сушки. Просто нужно учитывать этот факт при установке параметров отмывки трафарета». Всегда нужно следить за тем, чтобы трафарет был действительно хорошо просушен. «Это касается не только трафаретов с плазменной обработкой, но и обычных трафаретов, так как все, что остается на нижней стороне трафарета, рано или поздно окажется на поверхности изделия. Высококачественная отмывка трафарета важна не только в отношении минимизации пустот, но также имеет большое значение для всего процесса сборки».

Несомненно, необходимо фиксировать при каких параметрах процесса образуются пустоты, а при каких – нет. Причиной может являться и сама печатная плата. «В стандарте IPC 610 представлен перечень различных пустот, среди которых есть микропустоты или Киркендалловы пустоты…», продолжает д-р Ханс Бель, компания REHM: «В нем описаны дефекты, причины которых кроются не в паяльной пасте или трафаретной печати, а в поверхности самой печатной платы. Этот фактор действительно нужно принимать всерьез. Мы можем изготовить хорошую вакуумную печь, но если заказчик использует плохие материалы, существенной пользы установка не принесет, это как „пятое колесо в телеге. С этим мнением соглашается Клаус Цабель, директор компании Asscon Systemtechnik-Elektronik: «Для сокращения количества пустот производственная линия и целый цех должны быть переведены на качественно другой уровень. Но я также хотел затронуть вопрос, обсуждать который до темы пайки в вакууме было бы немного несправедливо. Я имею в виду неправильную конструкцию печатной платы“.

Эти слова можно продемонстрировать следующим примером. На теплоотводной поверхности силового модуля очень часто выполняют переходные отверстия, чтобы добиться соединения с внутренним слоем. По причине экономии заказчики отказываются от использования заглушек. Вследствие этого в отверстиях, под действием капиллярных сил, припой мигрирует на другие места печатной платы – как раз туда, где его ни в коем случае не должно быть, поэтому Цабель утверждает: «Говоря о теме разводки печатных плат, мы приобрели уже достаточный опыт, чтобы смело утверждать – с заказчиком требуется немалая предварительная работа. Обязательно нужно представить полную картину возможных проблем и разъяснить, что недостаточно просто потратить больше денег на установку и тогда будет все хорошо. Вернее было бы вложить больше средств в реорганизацию производства, а также в опытно-конструкторские разработки, чтобы на выходе получить полностью отлаженный процесс».

Касаясь темы проектирования, Йенс Кашке из компании ASM, говорит: «Не только в случаях образования пустот, но и в целом при изготовлении электронных модулей бывает так, что приходится подстраиваться под топологический чертеж, когда разумнее было бы, пойти вместе с разработчиком на производство и указать ему с какими сложностями сталкиваешься при производстве спроектированного им изделия». Д-р Андреас Райнхар коснулся темы стандартов IPC: «В самом последнем издании стандарта оценка присутствия пустот в паяных соединениях BGA была повышена на 30%: с одной стороны может сложиться чувство, что требования становятся все жестче и жестче, но с другой стороны в отношении допуска количества пустот данный стандарт довольно щедр». Он выражает свое недовольство и продолжает: «Хочу только подчеркнуть, что нельзя наобум устанавливать границы, которые будут подходить для всего печатного узла». Гораздо разумнее учитывать особенности всех компонентов отдельно. «Если превышены установленные допуски работы микросхемы, это будет представлять угрозу надежности этого компонента, а значит и изделия в целом».

Клаус Цабель, директор компании Asscon затрагивает вопрос обнаружения пустот: «Многие производители приходят в негодование, когда видят свои изделия первый раз в системах рентгеновской инспекции. Большой процент газовых включений заставляет их задуматься о правильности выбора установки пайки. Но в то же время Цабель замечает: «С тех пор, как человек начал паять, в паяных соединениях существуют пустоты, но, несмотря на это большинство изделий работает превосходно. Это утверждение подходит и для электронных компонентов: они надежны и износостойки даже при наличии пустот. Но мы не можем требовать от компонентов 100% теоретической производительности».  «Мы продолжаем проводить исследования, но, к сожалению, нет возможности сказать, что мы везде обнаружим 27% пустот, которые были найдены после пайки в различных установках, с разными параметрами и паяльными материалами. Пустоты образуются и появляются спонтанно то тут, то там. Это становится серьезной преградой для проведения исследовательских работ».

«Отчетливо видно, что производство все больше нуждается в использовании оптической инспекции», говорит Олаф Рёмер, директор компании ATEcare. Важнейшим инструментом в процессе нанесения пасты является SPI – автоматическая инспекция нанесения паяльной пасты. Если бы раньше имелась возможность сравнения элементов, то сегодня техника ушла бы значительно дальше, так как появилась возможность определения структур и объема. Рёмер поясняет: «В установках АОИ мы можем проводить даже измерения 3D. Это позволяет видеть пузырьки газа даже на выводных  (THT) компонентах». Но любая технология имеет свои технологические пределы, и Клаус Цабель плавно переводит тему к рентгеновскому контролю: «Что касается обнаружения пустот, то рентгеновский контроль несомненно стоит на первом месте», говорит он и приводит в доказательство факт: «Вопрос не стоит в том, есть ли у меня сейчас пустоты или какую структуру я сейчас буду инспектировать – я хочу знать, ГДЕ они!».

В условиях современного производственного процесса недостаточно производить только отбраковку плат: оптические системы выполняют лишь функцию индикатора процесса. Знать процент пустот – это одна сторона медали, другая же сторона – знать точное их месторасположение с тем, чтобы определить какие «винтики» нужно подкрутить в процессе нанесения пасты. В качестве примера возьмем BGA-микросхемы: «Содержание пустот в моем шарике BGA составляет 8-10% и теперь я хочу узнать, где они точно располагаются: Может быть они на контактной площадке или где-нибудь     в другом месте? С помощью простого просвечивания сверху этого не распознать. Но, если, же я провожу 3D томографию – то я могу их благополучно «достать» и измерить».