База знаний

На производственно-демонстрационной площадке ГК «Диполь» проведено испытание одновременно двух разработок компании: тестовая отмывка печатных узлов с помощью установки струйной отмывки печатных плат СМ-16 и отмывочной жидкости АкваКлин-М. Испытания прошли в присутствии представителей компании-заказчика.

К разработке установки струйной отмывки печатных плат СМ-16 инженеры «Диполь» приступили еще в 2018 году, когда стали очевидны потребности отечественных предприятий радиоэлектроники в подобном оборудовании. Позже, после переосмысления первоначальной задумки, рынку было предложено решение, во многом превосходящее своего предшественника — установка под названием СМ-16 ПРО.

Систему характеризуют следующие ключевые особенности:

• возможность выбора режима отмывки;

• отсутствие теневых зон;

• наличие полностью замкнутых контуров;

• благодаря фильтрации и регенерации не требуется подключение к канализации и водопроводу;

• фиксация изделия в рамке организована таким образом, что обеспечивается минимальное пятно контакта фиксатора и платы (минимизация слепых зон).

Материал АкваКлин-М — жидкость, предназначенная для водной отмывки таких сложных загрязнений, как паяльные пасты для каплеструйной печати, а также для замены отмывочных жидкостей, больше не поступающих на российский рынок.

В качестве тестового образца использовались платы с напаянными чип-компонентами и радиаторами.

Этот выбор неслучаен. Показательно, что радиатор относится к крупным компонентам, для запайки которого применяется большое количество пасты. Помимо того, столь крупные компоненты неизбежно экранируют соседние элементы печатного узла. Таким образом, испытание осознанно проводилось на образце, тяжело поддающемся отмывке.

Результаты тестирования

Отмывка проводилась жидкостью в концентрации 25% на тестовых образцах с нанесением паст Almit и Alpha.

Отмывка пасты Almit прошла без нареканий: флюс был успешно удален со всех паяных соединений.

Снимки до отмывки

Снимки после отмывки

Судя по тому, что загрязнения были удалены локально, а не по всей поверхности МПП, можно предположить, что фрагменты флюса сохранились либо из-за теневого эффекта (неудачное расположение именно этой зоны при фиксации платы), либо из-за перекоса МПП при фиксации.

Таким образом, отмывочная жидкость показала результат, близкий к отличному.

Снимки до отмывки

Снимки после отмывки

В ходе оценки установки струйной отмывки СМ-16 представители заказчика высказали ряд рекомендаций по усовершенствованию и дооснащению оборудования. При этом были отмечены следующие преимущества данной разработки:

• при простое машины происходит периодическое автоматическое перемешивание жидкостей в баках;

• уменьшение загрязнения в баках за счет постоянного прогона воды через угольный и ионообменный баки;

• компактность исполнения;

• низкий уровень шума;

• все соединения реализованы быстросъемным способом.

Расходные технологические материалы (РТМ) объединяют обширную линейку продукции, предназначенной для сборки и защиты радиоэлектронных устройств. В этот ассортимент входит промышленная химия, материалы для влагозащиты, паяльные и сопутствующие материалы.

После получения регистрационного свидетельства указание данной продукции будет сопровождаться символом ®, который обозначает зарегистрированный товарный знак и в качестве составной части названия является знаком охраны прав «Диполь».

Все продукты под знаком РТМ проходят строгий контроль на соответствие спецификациям и техническим условиям.

В наступающем году планируется расширить линейку продукции, добавив в нее серию флюсов и влагозащитных материалов.

Для справки:

Согласно ст. 1485 Гражданского кодекса России «Знак правовой охраны товарного знака» правообладатель для оповещения о своем исключительном праве на товарный знак вправе использовать знак охраны, который помещается рядом с товарным знаком, состоит из латинской буквы «R» в окружности либо словесного обозначения «товарный знак» или «зарегистрированный товарный знак» и указывает на то, что применяемое обозначение является товарным знаком, охраняемым на территории Российской Федерации.

Тенденции мирового рынка подталкивают изготовителей электроники, производителей материалов и производителей оборудования внедрять новые технологии для снижения уровня негативного воздействия на окружающую среду. В рамках данного направления можно выделить два основных этапа: переход к бессвинцовой технологии пайки и проведение сертификации по стандарту ISO 14000. Эти мероприятия позволяют производителям электроники соответствовать новым требованиям по защите окружающей среды.

В ряде стран требования по переходу на бессвинцовые технологии закреплены законодательно. В частности, Директивы Европейского Сообщества с 1 января 2004 г. ограничили продажу электронной продукции, содержащей свинец, на территории Европы. В Японии среди крупнейших производителей, таких, как: Sony, Matsushita (Panasonic), Hitachi и Toshiba, распространена добровольная программа отказа от свинца.

Одновременно компании, включая лидеров отрасли внедряют международные программы сертификации ISO 14000, регламентирующие более безопасные для окружающей среды технологии производства электроники. Помимо отказа от использования свинца и материалов с содержанием галогенидов, сертифицированные компании должны сводить к минимуму количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Именно поэтому, производители электроники ставят задачу перед поставщиками о разработке нового оборудования и материалов, удовлетворяющих требованиям новых "зеленых" стандартов.

Паяльные пасты

В настоящее время на рынке материалов представлен ряд новых не содержащих свинца паяльных паст. Но, поскольку ни одна из них не является прямым аналогом свинцовой паяльной пасты, для каждой из них требуются дополнительные настройки технологического процесса пайки. Основное различие бессвинцовых сплавов от «традиционных» свинецсодержащих заключается в более высокой температуре пайки. Если температура ликвидуса свинцового сплава составляет +183 °C , то для бессвинцовых она имеет значение от +195 до +227 °C в зависимости от состава сплава.

Профилирование

Более высокие температуры пайки существенно сокращают технологическое окно. Оловянно-свинцовый сплав обладает температурой плавления +183 °C с пиковой температурой пайки в пределах от +205 до +215 °C. В тоже время максимальная допустимая температура печатной платы (ПП) составляет +230 - 240° C. Таким образом, для свинцовой технологии пайки мы имеем технологическое окно в диапазоне 15 - 35 °C. Температура плавления большинства бессвинцовых сплавов лежит в диапазоне от +216 до +220° C, с пиковой температурой пайки +225 - 235° C. Поскольку максимальная допустимая температура для печатной платы остается неизменной, технологическое окно сильно сжимается до диапазона 5 - 15°C. По этой причине к печам оплавления предъявляются более жесткие требования в точности настройки, стабильности поддержания температуры и повторяемости процесса. Так, если технологическое окно составляет 10 °C, а перепады температур на ПП составляет 10 °C, технологический процесс должен работать с нулевым допуском на ошибку.

Термопрофиль для свинцовой пасты

Кроме более высоких температур, для большинства бессвинцовых паяльных паст требуется более длительный интервал выдержки выше точки ликвидуса (как правило, от 60 до 90 секунд), в отличии от традиционных 40-60 секунд. Поэтому термопрофиль для бессвинцовых материалов отличается от стандартного свинцового профиля (рис. 1 и 2). Время нахождения в зоне пиковой температуры значительно выше, чем обусловлено образование «плато» на графике термопрофиля.

Рисунок 1. Традиционный термопрофиль для свинецсодержащих паст температура повышается до относительно кратковременного пика, а затем падает.

Рисунок 2. Термопрофиль пайки бессвинцовой пасты. Температура повышается до более высокого уровня в отличие от свинцового процесса и остается дольше времени, формируя плато.

Печи оплавления

Принимая во внимания отличия в материалах и технологического процесса, для пайки по бессвинцовой технологии используются печи с принудительной конвекцией для поддержания стабильной работы и контроля процесса при более высоких температурах. Большинство производителей бессвинцовых материалов рекомендует использовать азот, что дает возможность расширения технологического окна.

Применение азота дает ряд технологических преимуществ: повышение текучести сплава, повышение смачиваемости поверхности, снижение процесса окисления, улучшения внешнего вида паянных соединений. Стоит учесть, что применение азота влечет за собой дополнительные инвестиции в модернизацию сборочной линии.

Помимо принудительной конвекции производители оборудования внедряют новые решения в конструкцию печей, которые позволяют сделать процесс бессвинцовой пайки более стабильным. Это и увеличение числа зон нагрева, и изменение конфигурации модулей нагрева, и новые системы поддержки печатных плат в печи, и системы фильтрации и отделения паров флюса для уменьшения количества выбросов и защиты окружающей среды.

Увеличение количества зон пайки и уменьшение размера каждой отдельной зоны (рис. 3) обеспечивает более точный контроль технологического процесса и стабильность поддержания повышенных температур без потери в производительности. Такая конфигурация включает в себя зоны преднагрева, зоны пайки и зоны охлаждения. Все это удается реализовать в печи длиной 3,8м и обеспечить такую же производительность, как у традиционной печи длиной 4,7 м.

Рисунок 3. Эта конструкция конвекционной печи для пайки по бессвинцовой технологии оснащена девятью зонами.

Изменение в конструкции поддержки платы выполнено с учетом воздействия более высоких температур процесса. Когда температуры превышают +150 °C, базовый материал ПП приближается к точке стеклования, в результате чего может происходить деформация поверхности платы. Чем выше температура, тем больше шанс изменения геометрии поверхности печатной платы. Это критически важный параметр, особенно при первом проходе двусторонней платы через печь, поскольку трафаретная печать при повторном нанесении пасты очень критична к деформированной поверхности.

Новая концепция проектирования с центральной поддержкой включает в себя применение механизма только в тех зонах печи, где это необходимо – зоне пайки и зоне охлаждения. Как правило, для поддержки, проходящей по всей длине печи, требуются теплоемкие направляющие, которые уменьшают термическое воздействие на печатную плату и повышают ее ΔT. Кроме того, такая конструкция может снизить общую температуру платы. Это нужно учитывать при настройке термопрофиля печи для плат с центральной поддержкой и без нее.

Поскольку платы менее подвержены деформации при температурах ниже +150 °C, целесообразно уменьшать длину центральной поддержки, или вообще убирать ее, например в зоне преднагрева. Уменьшение размеров профиля поддержки, также способствует улучшению термостабильности процесса (Рис. 4). Результаты испытания показали, что ΔT на ПП остается неизменной, а стабильность температур платы находится в пределах 0,5 °C при установленной центральной поддержке платы и без нее.

Рисунок 4. Сокращение длины и ширины профиля центральной поддержки платы и ее удаление из зоны преднагрева печи устраняет необходимость разрабатывать разные профили для плат, паяемых с центральной поддержкой и без него.

При пайке с азотом важно отделять и собирать остатки флюса для его последующего удаления из печи. Кстати, нормативные предписания ISO 14000 требуют наличия системы рециркуляции воздуха для предотвращения выброса вредных веществ в атмосферу.

Автоматическая система удаления флюса поддерживает внутреннюю чистоту печи, сводя к минимуму остановки сборочной линии для проведения технического обслуживания. Некоторые такие системы могут удалять до 95 процентов испарений флюса из печи, а интервалы между техническим обслуживанием увеличиваются до 30-90 дней в условиях массового производства. Такие системы применяют в сочетании с технологиями внутреннего охлаждения, механически активируемого перемешивания флюса, а также увеличением площади поверхности уловителей для паров флюса и мелких частиц.

В случае пайки в инертной среде, системы с обратным контуром могут пропускать азот через разделительный модуль и возвращать его в зону охлаждения. Таким образом "очищенный" газ может использоваться повторно, благодаря чему снижается стоимость использования азота. Некоторые системы позволяют доустанавливать специальные фильтры HEPA, чтобы соблюдать местные экологические требования EPA или ISO, сводя к минимуму количество выбрасываемых частиц в вентиляционную систему здания и окружающую среду (рис. 6).

Рис. 6. Система сбора флюса в конвекционной печи с фильтром HEPA

Заключение

В то время, как существующий парк современных систем конвекционной пайки способен работать с некоторыми бессвинцовыми пастами, последние конфигурации печей позволяют оптимизировать процесс пайки для всего ассортимента паст и термопрофилей. Понимая необходимость производителей электроники адаптировать парк уже имеющегося оборудования к новым требованиям, производители печей предлагают программу адаптации существующего оборудования необходимыми модулями: системами очистки воздуха, сбора остатков флюса, центральной поддержки ПП.

Таком образом модернизация существующего оборудования позволит перейти на бессвинцовые технологии и пройти сертификацию согласно ISO 14000. Такие шаги уже применяются множеством крупных сборочных компаний и доступны для всех изготовителей.

Любая программа перехода на бессвинцовую технологию – это комплекс мероприятий, включающий в себя процесс подбора материалов, оценки возможностей существующего парка оборудования и соответствия производства требуемым стандартам. Одним из источников такой информации являются международные отраслевые сайты: www.ipc.org и www.lead-free.org. Воспользовавшись знаниями о затрагиваемых проблемах, изготовитель может предпринять шаги, необходимые для сохранения конкурентной позиции на глобальном электронном рынке.

Авторы: Марк Пео и Дон ДеАнжело

Перепечатано из "ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА" за май 2000 г.
Авторские права принадлежат PennWell Corporation

Компания «Диполь Технологии» продолжает расширять собственную линейку технологических очистителей. Новые продукты могут применяться не только в процессах сборки электроники, но и при производстве металлических конструкций, очистки изделий металлообработки, проведении планового технического обслуживания оборудования.

ПринтКлин-А+ жидкость для отмывки трафаретов от остатков паяльной пасты, не полимеризованного клея и других загрязнений, образующихся в процессе трафаретной печати.

Благодаря уникальной химической формуле продукт обладает рядом преимуществ:

• долгое время жизни раствора. Состав удаляет загрязнения не растворяя их в себе. Простой процесс фильтрации позволит вернуть раствору первоначальные свойства;
• раствор Ph-нейтральный и не оказывает никакого воздействия на структуру поверхности трафаретов, деталей оборудования, уплотнителей и прокладок;
• не требует дополнительного ополаскивания после стадии отмывки, высыхает естественным путем не оставляя разводов на поверхностях;
• легко утилизируется за счет разделения органики и воды.

КлинМастер – новая линейка очистителей для очистки и подготовки металлических поверхностей.

Основное применение: очистка и частичное обезжиривание металлических поверхностей, в том числе из цветных металлов в процессе производства корпусов РЭА, радиаторов, крепежных элементов, оснастки, подготовки поверхностей под окраску, плановое ТО оборудования и т.д. Может применяться как в автоматических моющих комплексах, так и при ручной отмывке. Продукт пожаробезопасен, не требует дополнительного ополаскивания. После фильтрации может многократно использоваться не теряя своих свойств.

Спецификация серии

КлинМастер-UN универсальный состав для очистки металлических поверхностей от загрязнения. Поставляется в виде концентрата для смешивания с дионизированной водой в рекомендованном соотношении в зависимости от степени загрязнений.

• Рекомендуемая концентрация 3-5%. Слабоактивный очиститель применим для любых металлов. Не агрессивен к пластиковым материалам и лакокрасочным покрытиям. Позволяет производить эффективную очистку и обезжиривание поверхностей. Предназначен для удаления легких загрязнений.
• Рекомендуемая концентрация 15-20%. Очиститель средней активности применим для любых металлов. Не агрессивен к пластиковым материалам и лакокрасочным покрытиям. Позволяет снимать загрязнения в труднодоступных местах.
• Рекомендуемая концентрация 30-50%. Высокоактивный очиститель для удаления сильных загрязнений в том числе битум и другие трудноудаляемые вещества, например, силикон. Не повреждает структуру металлов. Перед применением рекомендуется провести тесты по воздействию на лакокрасочное покрытие.

КлинМастер-SST высокоактивный щелочной очиститель для глубокой очистки поверхностей из нержавеющей стали. Рекомендуется для удаления застарелых прикипевших загрязнений, образованных под воздействием высоких температур. Поставляется готовым составом. Пожаробезопасен. Рекомендован для очистки парофазных печей.

КлинМастер-OV универсальный очиститель для печей оплавления. Позволяет эффективно производить очистку конвекционных печей от остатков флюса, неполимеризованных клеев и других загрязнений. После очистки поверхность приобретает антистатические свойства, что позволяет ей дольше оставаться чистой, а также минимизировать риск повреждения статическим электричеством, лежащих на ней электронных изделий. Поставляется готовым составом. Пожаробезопасен.

Р-Клинер очиститель для ручной отмывки печатных. Эффективно очищает современные флюсы без образования белого налета и разводов. Не требует ополаскивания и сушки, позволяет отмывать платы с влагочувствительными компонентами. Быстро испаряется. Является современной альтернативой спирто-нефрасовой смеси. Пожароопасный продукт, требует соблюдения мер противопожарной безопасности!

Мы зафиксировали стоимость на все очистители производства АО «Диполь Технологии» на уровне цен 2019 года. Всем заказчикам мы предоставляем образцы материалов для тестирования на производстве.
Для получения более подробной информации свяжитесь с нашими техническими специалистами.

Непрекращающаяся миниатюризация изделий электроники с одновременным расширением их функциональности является основной движущей силой развития рынка гибких печатных узлов. Размеры устройств уменьшаются, а быстродействие и сложность — возрастают. Наиболее стабильно эта тенденция проявляется в потребительских сегментах рынка, таких как мобильные телефоны и интеллектуальная электроника, а также в отдельных отраслях промышленности, например, в медицинской (портативная медицинская электроника, диагностическая аппаратура) и оборонной.

Разумеется, гибкие печатные узлы значительно отличаются от жестких в части технологии сборки. По словам Дэвида Муди (David Moody), директора по продажам и маркетингу в компании Lenthor Engineering, главные трудности здесь связаны с материалом печатных плат, а также с гибкостью как таковой: «Эти печатные узлы не плоские и не жесткие, они принимают форму определенной поверхности. Другая особенность гибких печатных узлов — их трехмерность: возникает задача монтажа на плате мелких компонентов и микросхем в корпусах BGA и выполнения технологических операций над участками гибкой платы, которые зачастую расположены в разных плоскостях. Одни элементы печатного узла находятся выше других, поэтому, чтобы получить удобную, плоскую и надежную поверхность для монтажа компонентов, необходимо все выровнять, и именно в этом на самом деле состоит основная сложность».

Дэвид Муди знает, о чем говорит, ведь их компания занимается изготовлением гибких и гибко-жестких печатных плат более 35 лет.

Технологический процесс сборки гибких печатных узлов в Lenthor частично автоматизирован, а частично выполняется вручную. В случае гибких печатных узлов обычно используется сочетание ручной сборки с автоматизированной установкой и пайкой компонентов для поверхностного монтажа. Гибко-жесткие печатные узлы проектируются, как правило, аналогично жестким, поскольку большая часть функциональности такого узла сосредоточена на жестких участках, а гибкие участки в основном играют роль соединений между ними. Это несколько облегчает задачу, но гибкие печатные узлы сами по себе в гораздо большей степени побуждают к применению разнородных технологических процессов.

Пайка гибких печатных узлов может оказаться очень непростой задачей. Для исключения перегрева этого разнородного по теплоемкости изделия необходима операция настройки профиля оплавления, в которой используются специальные термопрофайлеры

По словам специалистов Lenthor, большинство первоначальных затруднений со сборкой гибких печатных узлов и их качеством удалось решить благодаря грамотно спроектированной оснастке — она стала ключевым залогом успеха при сборке гибких печатных узлов.

К этому мнению присоединяется и Боб Уэттерман (Bob Wettermann), руководитель компании BEST Inc., которая занимается восстановлением и ремонтом изделий электроники, а также сборкой печатных узлов: «В случае жесткого печатного узла имеется неизменно плоская поверхность печатной платы и компоненты с известными фиксированными размерами, поэтому автомат установки компонентов располагает точной информацией о том, где и как устанавливать тот или иной компонент. Когда же поверхность становится трехмерной и перестает быть жесткой, устанавливать крошечные компоненты на такой зыбкий, податливый рельеф становится очень трудно. По словам специалистов Lenthor, большинство первоначальных затруднений со сборкой гибких печатных узлов и их качеством удалось решить благодаря грамотно спроектированной оснастке — она стала ключевым залогом успеха при сборке гибких печатных узлов.

Ключ к решению этой проблемы — оснастка. Наличие удобной плоской поверхности для демонтажа и повторного монтажа компонентов — главное условие успешного выполнения этих операций при восстановлении гибких печатных узлов. Ремонт гибких печатных узлов не описывается стандартами вроде IPC-7721, поэтому соответствующую технологию приходится создавать самостоятельно в процессе работы. На днях клиент попросил нас оценить критерии годности паяных соединений микросхемы в корпусе SOIC, смонтированной на гибкой печатной плате с применением эпоксидного адгезива. И знаете что? В отрасли просто нет общепринятых критериев годности. Так что по состоянию стандартов, знаний и практики — это до сих пор своего рода «Дикий Запад». Все изобретают что-то сами по ходу дела».

Привычка самоустраняться от дальнейшего

Всякий раз в беседах отраслевых специалистов взаимодействие по цепочке поставок упоминается как ключевой фактор успеха в деле проектирования, изготовления и сборки. Это связано с до сих пор преобладающим в отрасли подходом «свое дело сделал, а дальше хоть трава не расти» Не исключение и рассматриваемая нами область. «Тут все обусловлено характером сборочной деятельности: например, мы занимаемся опытно-конструкторской работой (ОКР), чтобы предоставить клиенту работоспособные опытные образцы, чтобы он мог потом провести вторую или третью итерацию, — поясняет Боб Уэттерман. — Как правило, изготовленные узлы не доходят до конечных потребителей; наше дело — обеспечить надежные прототипы».

Это подтверждает и Дэвид Муди: «На этапе опытного конструирования многие клиенты хотят просто получить первоначальный вариант изделия с определенным набором функций. С другой стороны, любопытно наблюдать, что с момента начала обсуждения — а оно начинается иногда еще на этапе проектирования — вопросы сборки не затрагиваются практически до последнего, когда без их рассмотрения уже не обойтись. Не знаю, с чем это связано, но до сих пор приходится сталкиваться с нежеланием задумываться о том, как будет выглядеть собранное изделие или как можно будет осуществить сборку.

Вот есть группа инженеров: один специализируется на радиоэлектронной начинке, другой на конструктиве, третий на чем-то еще. Вместе они рождают какую-то идею, пытаются ее конкретизировать и заранее отбирают под нее компоненты, а потом хотят, чтобы кто-то по этим вводным разработал конструкцию с указанными компонентами. Но случается так, что конкретный выбор компонента может грозить технологическими проблемами при сборке конструируемого изделия. Тем не менее инженеров трудно уговорить отказаться от уже принятых решений по компонентам, поэтому можно заключить, что вопросам окончательной сборки уделяется недостаточно внимания на ранних стадиях проектирования».

Что посоветовать конструкторам?

Слово Бобу Уэттерману: «Следует задуматься, как будет собрано изделие. Какой-нибудь «рыцарь мыши и клавиатуры» инженер-конструктор, который, сидя за компьютером, проектирует носимый гаджет или, например, гибко-жесткий печатный узел для ракетного комплекса, вряд ли имеет опыт в том, что касается сборки. Такой опыт редкость среди тех, кто занимается проектированием гибких печатных узлов. Иногда к проектированию привлекают консалтинговые фирмы с определенным опытом в области сборки гибких и гибко-жестких печатных узлов, и тогда их приглашают поучаствовать в процессе и демонстрируют проблему. Мы стремимся показать и рассказать, какие трудности могут возникать в ходе реальной сборки, — думаю, это помогает им быстрее учиться. В конструкторском сообществе есть немало квалифицированных специалистов по проектированию как жестких, так и гибких печатных узлов. Задача таких экспертов, как Дэвид и я, — помочь им в том, что касается сборки изделий». Со своим коллегой соглашается и Д. Муди: «В начале обсуждения изделия, для которого еще не разведена печатная плата, в числе первых задаются вопросы об области применения, условиях эксплуатации, предполагаемой окончательной конфигурации печатного узла и способе его размещения в корпусе или общем конструктиве устройства. Если есть печатные проводники, то по ним, вероятно, будут передаваться какие-то сигналы; в узле могут быть разные перепады высот, и он может проходить из нижней части корпуса в верхнюю с несколькими изгибами, так что в ходе проектирования необходимо понять, где эти изгибы будут находиться. Кое-чего нужно попросту избегать: например, нельзя или по крайней мере не рекомендуется размещать компоненты в местах изгиба печатного узла (хоть мы и зовем его «гибким»).

Зачастую инженеры самонадеянно полагают, будто им точно известно, где что должно находиться: дескать, вот этот компонент должен быть именно здесь и нигде более, поскольку от него нужен доступ к другому компоненту, который располагается там-то. Но им неизбежно приходится пересматривать свои идеи, потому что они не выдерживают столкновения с реальностью. В этом и суть: нужно выяснить способ применения и окончательную конфигурацию узла, чтобы исходя из этого дать совет, где следует усилить узел элементами жесткости (если это просто гибкий печатный узел), где разместить компоненты, а где их устанавливать нельзя или настоятельно не рекомендуется».

К обсуждению присоединился Мэтт Кан, менеджер-эколог в компании Lenthor Engineering: «Был пример, когда клиент прописал в технических условиях элемент жесткости, расположенный вблизи зоны контактных площадок под трафаретную печать для поверхностного монтажа. Крепить его требовалось термоусадкой, а это нужно делать до сборки. Мы же порекомендовали в целях экономии вместо термоусадки посадить этот элемент жесткости на липкий клей после сборки. В одних случаях клиенты потом приходят и говорят: «Нет, нам нужна именно термоусадка», а в других соглашаются на предложенную замену. Нужно, чтобы по ходу процесса стороны вели диалог о том, как усовершенствовать конструкцию или сделать ее технологичнее».

По словам Д. Муди, очень важно начать взаимодействие по проекту заблаговременно, прежде чем конструкция примет окончательный вид, чтобы предотвратить возможные проблемы при сборке: «Нам нередко приходилось со всей очевидностью убеждаться в этом на практике, пока мы не обзавелись собственной сборкой. Как уже было сказано, все дело в той самой привычке самоустраняться от дальнейшего и спихивать заложенные в конструкции проблемы на следующих по цепочке. Это чревато ростом затрат, причем не только в прямом денежном выражении, но и в смысле задержки в выпуске продукта на рынок. Время, затраченное на совместную предварительную проработку конструкции, в том числе рационализацию сборки, обернется более совершенным и технологичным продуктом. Крайне важно провести всю эту работу заранее».

Особенности материалов

До сих пор существуют заблуждения в вопросах о том, какие материалы следует выбирать для гибких печатных плат с точки зрения оптимизации сборки.

В качестве примера Б. Уэттерман делится ошибочными представлениями некоторых своих клиентов о каптоне (пленка из полиимида): «От лица клиентов с нами общаются в основном продукт-менеджеры и менеджеры проектов. Попытки объяснить им, что каптон при всех его преимуществах — широком конструкционном диапазоне температур, высокой стойкости к механическим и термическим воздействиям, хороших диэлектрических характеристиках и т. д. — может рваться, наталкиваются на недоверие. Но с каптоном действительно случается подобное».

Д. Муди указывает на недопонимание ограничений, свойственных конкретному материалу: «Я бы еще отметил — и это касается не столько монтажа компонентов на плате, сколько монтажа уже готового узла с компонентами в корпус — не вполне адекватное представление о характере и степени изгиба, который способны выдерживать гибкие печатные узлы. Можно сделать узел чересчур жестким, так что он вообще не станет гнуться, и тогда трудно будет добиться необходимого рельефа поверхности или функционального взаимодействия между участками, находящимися на разных уровнях. Приходится много консультировать клиентов на предмет выбора материалов, которые позволили бы реализовать нужную функциональность или форм-фактор печатного узла в контексте сборки. Повторюсь, речь тут вовсе не о трудностях или особенностях монтажа компонентов на плате, а о том, чтобы суметь правильно разместить собранный печатный узел в корпусе. Так что вот еще один аспект сборки гибких печатных узлов, выходящий за рамки собственно монтажа компонентов».

Особенности печати

В большинстве случаев при изготовлении гибких печатных узлов паяльную пасту наносят привычным методом трафаретной печати. Но порой используют и каплеструйную печать — это определяется конструкцией гибкой печатной платы и толщинами ее участков.

«Иногда применяется каплеструйная печать в дополнение к традиционной трафаретной, — говорит М. Кан. — Например, бывает, что с двух сторон платы вблизи элемента жесткости располагаются компоненты, и эта более жесткая область находится выше контактных площадок. На всех остальных участках можно использовать трафаретную печать, но в непосредственной близости от элемента жесткости печатный узел не гнется, поэтому приходится прибегать к каплеструйной технологии. Или даже, может быть, паять вручную, если нет каплеструйного принтера для печатных плат».

По мнению Кана, каплеструйная печать благоприятно скажется на процессе сборки гибких печатных узлов ввиду ее большей скорости по сравнению с трафаретной, но вряд ли станет предпочтительным методом в ближайшем обозримом будущем.

«Выбор оборудования крайне ограничен, — говорит Боб Уэттерман. — Основной производитель — Mydata (Mycronic). Есть одна модель у ASYMTEK. Когда оборудование для каплеструйной печати распространится шире, можно будет использовать различные виды паяльной пасты и проводящих чернил, а не только строго определенные. Печать — отдельная инженерная задача, решение которой позволит усовершенствовать процесс сборки гибких печатных узлов, и одним из средств ее решения могла бы стать каплеструйная технология.

К сказанному я бы добавил только, что мы широко применяем роботизированное нанесение с помощью поршневого насоса, а для очень мелких компонентов — точечный перенос на иглах. В последнем случае удается несколько лучше контролировать объем наносимой паяльной пасты по сравнению с применением поршневого насоса»

Разделение групповых заготовок

Еще одна трудная задача, связанная со сборкой гибких печатных узлов, — разделение групповых заготовок печатных плат. По словам Уэттермана, в большинстве случаев гибкие печатные платы не такие большие, как жесткие, для которых характерны размеры вроде 8×12 или 12×14 дюймов: «Чаще всего имеется групповая заготовка с несколькими гибкими печатными платами, входящими в одно изделие. В конечном счете необходимо установить готовый печатный узел в корпус или же выполнить над ним ту или иную вспомогательную операцию. Но как разделить заготовку на отдельные платы? Во многих случаях для этого требуется прорезать или отделять от основы разнородные материалы: не просто каптон, а каптон и медь или, например, каптон, медь и какой-нибудь слоистый пластик. Вариантов множество. И, опять-таки, мы пытаемся разделить нечто большое, зыбкое и податливое на более мелкие части того же свойства. Операция разделения сама по себе очень трудна, но в случае жестких плат есть гораздо больше вариантов ее реализации: можно использовать перфорирование контура, фрезерование, лазерное скрайбирование и так далее. Так что разделение гибких печатных плат — еще одна проблема, помимо трехмерности, разнородности материалов и отсутствия жесткости. Чаще всего ее решают с помощью лазеров». Вот как описывает этот процесс М. Кан: «Используется пять лазеров. Как будет производиться разделение, мы определяем заранее: в зависимости от конструкции для жестких участков делаем предварительные надрезы с двух сторон, оставляя 0,3–0,4 мм толщины. Иногда перфорируем гибкую печатную плату, оставляя только ее собственный материал, после чего ее достаточно отрезать резаком».

Ручная доработка изделия

Кан отмечает, что технологические процессы в случае гибких печатных узлов не так просты: «Все происходит совсем иначе, чем с обыкновенной жесткой печатной платой. Нужно принимать во внимание и последующие процессы, такие как восстановление, пайка волной припоя, селективная пайка, доработка, формовка и так далее. Можно легко прожечь гибкую плату или повредить проводящую дорожку и не заметить этого. Если не соблюдать осторожность, скажем, устанавливая не оптимальную температуру при восстановлении, то появится большой риск повреждения самой платы даже прежде установленных на ней компонентов».

Еще один важнейший фактор при работе с гибкими печатными платами — это влага. Они абсорбируют влагу как минимум на 30% быстрее, чем традиционные жесткие платы. Поэтому сборке обязательно должна предшествовать сушка.

По словам Кана, в Lenthor платы перед сборкой сушат 2–3 часа, а грамотное планирование позволяет избежать увеличения длительности цикла:

«Если вы сушите платы, кладите их потом в шкафы сухого хранения. Иногда все идет не так, как запланировано. Поначалу мы в подобных случаях каждый раз сушили платы заново, что отнюдь не хорошо. Со временем стали после сушки запечатывать платы и класть их в шкафы сухого хранения. В большинстве случаев платы не нужно даже запечатывать, достаточно их высушить и положить в шкаф. Шкафы сухого хранения незаменимы, когда приходится иметь дело с влагочувствительными устройствами, особенно содержащими гибкие печатные платы. Они отлично зарекомендовали себя и позволяют реже прибегать к повторной сушке».

Шкаф сухого хранения

Растущий рынок

Гибкие печатные платы по-прежнему относятся к числу самых быстрорастущих сегментов рынка печатных плат. По данным нового отчета компании Transparency Market Research, занимающейся отраслевой маркетинговой аналитикой, объем мирового рынка гибких печатных плат в последние годы достиг $14,51 млрд, а среднегодовой темп его роста в сложных процентах на период 2018–2026 гг. должен составить 11,8% с итоговым объемом рынка в $38,27 млрд к концу указанного периода. В частности, в этом секторе повысился спрос на многослойные гибкие печатные платы, и в отчете прогнозируется, что данная тенденция сохранится в ближайшие несколько лет.

Основной движущей силой этого повышения стал значительный рост рынка бытовой электроники, обусловленный, в свою очередь, выросшим спросом на смартфоны, планшеты и ЖК-дисплеи.

Д. Муди рассматривает носимые устройства как один из ключевых секторов, определяющих развитие рынка гибких печатных плат: «На рынке представлено множество устройств, повторяющих форму той или иной части человеческого тела: одни надеваются на запястье или лодыжку, другие крепятся ремешком к спине, груди или лбу. Конструктивно это реализуется следующим образом: например, если устройство надевается на запястье, у него должна быть плоская часть, на которой можно будет расположить компоненты, и гибкая часть, которая, собственно, и будет облегать запястье. Необходимо располагать компоненты вдали от изгибов, складок и других неплоских участков печатной платы.

Гибкие печатные узлы — захватывающая область, в которой почти ежедневно приходится сталкиваться с новыми трудными задачами. Это и делает нашу отрасль интересной. Каждый день кто-то приходит с проектом совершенно нового изделия, и ты думаешь: ничего себе, а мне такое в голову не приходило, попробую-ка разобраться, как его сделать».

Стивен Лас-Мариас (Stephen Las Marias), I-CONNECT007
Под ред. инженера-технолога, к. х. н. Татьяны Кузнецовой Перевод: Артем Вахитов

Херьян Дипстратен (Gerjan Diepstraten), Cobar Europe B. V., g.diepstraten@cobar.com
Тим Лоуренс (Tim Lawrence), Ph.D., Cobar/Balver Zinn, t.lawrence@cobar.com

Под редакцией инженера-технолога, к. х. н. Татьяны Кузнецовой
Перевод Артема Вахитова

Отмывать «безотмывный» флюс или использовать паяльную пасту с водосмываемым флюсом? Рассуждениями на эту тему делятся специалисты компании Cobar.

После отказа в 1970-х годах от использования хлорфторуглеродных растворителей для отмывки печатных узлов в электронной промышленности на этапе сборки все шире применяется технология безотмывных флюсов. Среди ее преимуществ — снижение затрат, сокращение числа технологических операций и упрощение процесса аттестации за отсутствием необходимости задавать параметры отмывки.

Для тех, кому нужна повышенная надежность, которую обеспечивает отмывка, сохраняется возможность использовать паяльные пасты с водосмываемыми флюсами, представленными на рынке в широком ассортименте. Этот метод позволяет применять сильно активированные материалы, подходящие для компонентов с плохой паяемостью и/или высокой теплоемкостью, без риска эксплуатационных отказов.

В последние годы стирается грань между описанными двумя стратегиями: некоторые производители прибегают к отмывке остатков безотмывных флюсов, стремясь совместить удобство применения таких флюсов с надежностью, обеспечиваемой отмывкой водой.

В настоящей статье оценивается целесообразность такого подхода.

Водосмываемые и безотмывные флюсы

Помимо способности к флюсованию основным требованием к водосмываемому флюсу является возможность удаления его остатков путем отмывки в воде (желательно без применения химических добавок). Не обязательно, чтобы все компоненты флюса были водорастворимыми. Водосмываемый флюс обычно изготавливается на базе водорастворимого полимера, активированного гидрогалогенидами аминов и органическими кислотами с добавлением подходящих растворителей и реологических модификаторов.

В состав типичного безотмывного флюса входит канифоль (часто модифицированная для улучшения цвета и повышения стойкости к окислению), другие компоненты для улучшения активации (отчасти аналогичные тем, которые применяются в водосмываемых флюсах), ингибиторы коррозии, растворители и желирующие вещества. Основным элементом является канифоль. По своим физико-химическим свойствам она идеально подходит для поставленных целей.

В процессе пайки оплавлением образуется вязкая жидкость, действующая как устойчивый активатор. По окончании этого процесса жидкость затвердевает, обволакивая продукты флюсования и не вступившие в реакцию компоненты флюса. Будучи нерастворимым в воде диэлектриком, канифоль создает местное конформное покрытие, которое защищает находящиеся под ним участки электронных цепей от воздействия различных факторов, например от повышенной влажности.

В отличие от водорастворимых флюсов здесь не требуется, чтобы все остатки флюса были растворимы в том или ином растворителе. Более того, такое требование было бы чрезвычайно обременительным, учитывая широкое разнообразие используемых материалов — от водорастворимых дикарбоновых кислот и гидрогалогенидов аминов до водонерастворимых галогенированных органических соединений и канифоли, а также различных солей, оксидов и гидроксидов металлов, образующихся в процессе пайки. При разработке формул безотмывных флюсов возможность отмывки не предусматривается. Валидация продуктов (в частности, по показателям поверхностного сопротивления изоляции и электрохимической миграции) осуществляется исходя из этого предположения.

Методы отмывки

Омыление — широко распространенный и давно применяющийся метод отмывки. Омылителем называется щелочной материал, при взаимодействии которого с кислотными компонентами загрязнений образуется мыло (соль органической кислоты), растворимое или, по крайней мере, диспергируемое в воде. В этой форме загрязнения удаляются с поверхности. Помимо электроники, омылители применяются во многих бытовых и промышленных моечных системах, например, в качестве моющих средств для посудомоечных машин. В электронике основным объектом отмывки являются остатки канифольного флюса. В результате реакции омылителя с его кислотными компонентами образуется канифольное мыло. По аналогичному механизму удаляется непрореагировавшая карбоксильная кислота. Так как омылитель применяется в форме водного раствора, он действует и на остатки водорастворимых флюсов. Однако в зависимости от тщательности процесса отмывки водонерастворимые и неомыляемые загрязнения могут удаляться не полностью.

На рынке представлено множество различных гликольэфирных чистящих растворителей. Как правило, они тоже хорошо растворяют канифоль, но не столь эффективны в отношении других флюсовых загрязнений, особенно более полярных (с низкой молекулярной массой) карбоксильных кислот. Полуводная технология, при которой растворитель смешивается с водой или предусматривается дальнейшее ополаскивание в воде, позволяет удалять более широкий спектр загрязнений.

При отмывке чистой водой (без омылителя) удаляются только водорастворимые загрязнения, если только нет значительного физического воздействия или высокой температуры для создания эффекта физического «трения». Последний вариант может быть действенным, но ставит под угрозу целостность печатной платы.

Практическая возможность отмывки безотмывного флюса

Эксперимент

Есть множество причин не отмывать безотмывный флюс, но интерес к такой возможности растет. Формула безотмывного флюса такова, что он обволакивает активаторы, оставшиеся на плате после пайки. Он не рассчитан на отмывку, и поэтому его остатки труднее удалить с печатного узла.

Эти остатки содержат активаторы, желирующие вещества и смолы. Их количество зависит от состава паяльной пасты и условий технологического процесса (например, температуры оплавления), воздействию которых подвергался печатный узел.

При проведении первого эксперимента исследовалась возможность отмывки безотмывного флюса и определялось влияние различных параметров на качество отмывки. Он был спланирован как полный факторный эксперимент со следующими параметрами и уровнями.

Таблица 1. План эксперимента

Фактор	Единицы измерения	Уровень 1	Уровень 2	Уровень 3
Температура отмывки	°C	35	50	65
Время отмывки	мин	5	10	20
Концентрация омылителя	%	Только деионизированная вода	Деионизированная вода + 10% отмывочного средства	Деионизированная вода + 20% отмывочного средства

Эксперимент был выполнен на небольшом лабораторном отмывочном устройстве. Паяльная паста была нанесена печатным способом на медные образцы (трафарет размерами 107×76×0,2 мм с тремя круглыми отверстиями с диаметром апертуры 6,5 мм).

Образцы были подвергнуты пайке оплавлением в конвекционной печи по типовому профилю для оловянно-свинцовых припоев с пиковой температурой 215 °C. Затем была произведена отмывка образцов при различных значениях концентрации омылителя, температуры и времени отмывки. Остаток был взвешен на весах с четырехзначным отсчетным устройством.

Средняя масса паяльной пасты, нанесенной на образцы, равнялась 0,07 г. Остаток флюса после пайки составил 51%. Остальные 49% испарились в процессе пайки оплавлением.

Анализ данных

Все факторы эксперимента (температура, концентрация и время отмывки) существенно повлияли на результат. Отмыть безотмывный флюс чистой деонизированной водой не удалось, так как он содержит неполярные водонерастворимые остатки, удаляемые только с использованием добавок, например омылителей.

Рис. 1. Доля флюса, удаленного с печатной платы. Приведенные значения являются средними от уровней параметров

Наибольшее влияние оказали концентрация отмывочного средства и время отмывки. На рис. 2 показано соотношение между обоими факторами.

Рис. 2. Степень чистоты печатной платы как функция времени отмывки и концентрации омылителя

Дополнительные эксперименты по отмывке

На основе этих данных были выбраны два метода отмывки тестовых печатных плат, пайка которых осуществлялась тремя различными паяльными пастами с безотмывными флюсами:

• струйный;
• ультразвуковой.

После пайки тестовые платы отмывались, а качество их отмывки проверялось путем визуального контроля и с помощью измерителя уровня ионных загрязнений.

Максимально допустимый остаток флюса на печатном узле регулируется стандартом IPC J-STD-001E: печатные узлы класса 1 — менее 200 мг/см²; печатные узлы класса 2 — менее 100 мг/см²; печатные узлы класса 3 — менее 40 мг/см².

Аэрозольный метод тестировался в машине для групповой отмывки с использованием отмывочного средства на водной основе при следующих параметрах.

Таблица 2. Условия групповой аэрозольной отмывки

Параметр	Значение
Концентрация омылителя	20%
Время отмывки	12 мин
Температура отмывки	60 °C
Ополаскивание	6 циклов, деионизированная вода
Время сушки	12 мин
Температура сушки	65 °C

Ультразвуковая отмывка печатных узлов является предметом дискуссий уже на протяжении 50 лет. Согласно стандарту IPC-STD001E ультразвуковая отмывка допустима в следующих случаях:

• печатные платы без компонентов или печатные узлы, содержащие только зажимы или соединители, но не электронные компоненты;
• печатные узлы с электронными компонентами — только если производитель может документально подтвердить, что воздействие ультразвука не ухудшает механические или электрические характеристики изделия или компонентов, подвергающихся отмывке.

Современные ультразвуковые отмывочные машины работают на переменной частоте во избежание возникновения потенциально вредных гармоник. Тестовая плата без компонентов отмывалась в ультразвуковой отмывочной установке с одной ванной.

Таблица 3. Условия ультразвуковой отмывки

Параметр	Значение
Концентрация омылителя	20%
Время отмывки	12 мин
Температура отмывки	60 °C
Частота	30 кГц
Ополаскивание	4 цикла, деионизированная вода
Время сушки	8 мин
Температура сушки	65 °C

Визуальный контроль плат после отмывки показал, что все остатки флюса были удалены и паяные соединения выглядели чистыми.

На тестовых платах был измерен уровень остаточных ионных загрязнений. Результаты для трех различных сплавов и двух методов отмывки показаны на рис. 4.

Рис. 4. Уровни остаточных ионных загрязнений: существенно ниже максимума в 40 мг/см2 во всех случаях

Зона риска: малоразмерные компоненты с малым зазором между платой и корпусом

Между соседними проводниками в присутствии электрического поля во влажной среде может происходить электрохимическая миграция. Металл анода растворяется с возникновением металлических ионов (катионов), которые мигрируют к катоду. На катоде они восстанавливаются и образуют дендриты, растущие по направлению к аноду. В итоге это может привести к короткому замыканию. Даже когда этого не происходит, в пределах электрохимической ячейки, возникающей между проводниками, снижается поверхностное сопротивление изоляции. Оба эффекта потенциально угрожают целостности электрических цепей, особенно тех, что содержат малый шаг между проводниками.

В частности, угрозу надежности изделия представляют остатки высокоактивных органических кислотных, галоидных или галогенизированных флюсов в малых зазорах под корпусами компонентов, не удаленные в процессе отмывки после пайки.

Существующие методы управления технологическими процессами и обеспечения качества не позволяют надежно выявлять остатки флюса в этих местах.

Если применяется водосмываемый флюс, печатный узел необходимо полностью отмыть от его остатков, иначе может пострадать надежность (например, из-за риска роста дендритов). Более серьезная проблема возникает в связи с распространяющейся в последнее время практикой отмывки безотмывных флюсов слабым раствором отмывочного средства в деионизированной воде. Как и в случае водосмываемого флюса, остатки флюса на печатном узле могут стать причиной отказа, поскольку попытка отмывки нарушает защитные свойства канифоли.

Одной из важных тенденций в электронике является миниатюризация. Размеры компонентов постоянно уменьшаются. В связи с этим растут требования к точности работы устройств трафаретной печати и автоматов установки компонентов, а в паяльных пастах порой приходится использовать порошок припоя типов 4 или 5 вместо типа 3. Применение более мелких порошков вынуждает пересмотреть композицию флюса. У мелкого порошка больше площадь поверхности металла, поэтому он может требовать большего количества флюса или иной системы активации. Чем больше флюса в паяльной пасте, тем большее его количество остается под небольшими компонентами после пайки.

Еще один эффект, возникающий при малом шаге между компонентами, — это гроздевидное комкование припоя из-за недостаточного слипания. Термином «гроздевидное комкование припоя» (solder graping) обозначают последствия плохого смачивания, когда паяльная паста частично расплавилась, но до конца не спаялась или не растеклась. Гроздевидному комкованию могут способствовать как дефекты порошка припоя (окисление, загрязнение металла), так и неоптимальный состав флюса (необходимость в более сильном активаторе или добавках, повышающих температурную стабильность).

Гроздевидное комкование не следует считать дефектом, если лишь внешние шарики припоя соприкасаются с расплавленной массой припоя и остаются ее частью, не нарушая требований к минимальному электрическому зазору.

Нерасплавленные шарики припоя могут застревать в остатках флюса и в худшем случае приводить к образованию мостиков припоя.

Рис. 5. Гроздевидное комкование припоя на компонентах типоразмера 0603

При отмывке этих плат остатки флюса полностью удаляются вместе с застрявшими шариками припоя, если те не соединены с расплавленной массой припоя (рис. 6 и 7).

Рис. 6. Шарики припоя, застрявшие в остатках флюса поверх галтели припоя на контактной площадке вывода микросхемы в корпусе типа SOIC

В случае цепей с малым шагом между проводниками наблюдается непропорционально высокое содержание окислов на контактных площадках и поверхности выводов компонентов при меньшем количестве флюса (меньших объемах паяльной пасты).

Рис. 7. Отмывка безотмывного флюса привела к удалению всех его остатков, в том числе застрявших шариков припоя

Миниатюризация компонентов затрудняет отмывку. Расстояния между контактными площадками резко сокращаются с 3,5 мм для компонентов типоразмера 2010 до 0,1 мм для компонентов типоразмера 01005. Растет риск образования мостиков припоя, электрохимической миграции и других неблагоприятных эффектов, а зазор между корпусами компонентов и платой сужается. В связи с этим возникает потребность в отмывочных составах с низким поверхностным натяжением и достаточной капиллярной силой для проникновения под эти малоразмерные компоненты.

Рис. 8. Типоразмеры компонентов и зазор между корпусом и платой

После демонтажа припаянных SMD-компонентов стало очевидно, что весь объем пространства под компонентами типоразмера менее 0603 был полностью заполнен остатками флюса из паяльной пасты, препятствующими проникновению отмывочного средства.

Для того чтобы проверить отмываемость малоразмерных компонентов с малым зазором между корпусом и платой, печатный узел был подвергнут отмывке в лабораторном устройстве, которое использовалось в спланированном выше эксперименте. Отмывка производилась в течение разного времени с помощью того же отмывочного средства (в концентрации 20%) при температуре 50 °C. Затем компоненты были демонтированы для визуального контроля наличия остатков флюса.

Таблица 4. «0» — остатки удалены полностью; «–» — остатки удалены частично; «X» — остатки не удалены

	Время отмывки
Компоненты	20 мин	40 мин	60 мин
MELF	–	0	0
0402	X	–	0
0603	X	–	0
1206	X	X	–

Термопрофили пайки оплавлением и их влияние на количество остатка флюса

Качество пайки конкретной паяльной пастой и последующей отмывки зависит от термопрофиля пайки оплавлением. Профиль нагрева также влияет на смачивание, количество остатка флюса и твердость (отмываемость) остатков.

В целях определения условий наилучшего смачивания для паяльной пасты и количества остатка флюса на печатном узле после пайки был спланирован эксперимент по методу Тагучи.

Факторы, учтенные в эксперименте, описывают три критически важных фазы процесса пайки: скорость нагрева, время выдержки и пиковую температуру пайки. Четвертый фактор — атмосфера (воздушная или азотная).

Для оплавления паяльной пасты, нанесенной на медные образцы методом трафаретной печати, использовался термогравиметрический анализатор. На образцы по 100-мкм трафарету наносился отпечаток паяльной пасты диаметром 1,5 мм. По измеренной потере массы в ходе пайки определялось количество остатка флюса. Под микроскопом измерялся диаметр участка смачивания. По сделанному шлифу паяного соединения определялись высота галтели припоя и краевой угол смачивания (чем меньше этот угол, тем лучше смачивание).

Рис. 9. Усредненные характеристики влияния различных параметров на смачивание (чем меньше краевой угол смачивания, тем лучше)

Для оловянно-свинцовых сплавов наилучшее растекание достигалось при быстром нагреве и пиковой температуре 215 °C в атмосфере азота.

Паяльная паста с водосмываемым припоем содержит более сильные активаторы, что приводит к лучшему смачиванию. Средний краевой угол смачивания для паяльной пасты с водосмываемым флюсом был на 1° меньше, чем для паяльной пасты с безотмывным флюсом.

Рис. 10. Параметры профиля пайки в плане эксперимента по методу Тагучи

Свинцовые и бессвинцовые припои

Применение бессвинцовых припоев создает многочисленные дополнительные трудности при отмывке. В этих условиях привлекательным вариантом являются водосмываемые флюсы, так как в них можно использовать более сильные активаторы. Но из-за повышенных температур пайки у таких флюсов тверже остаток, что затрудняет отмывку.

Остаток флюсов этого типа труднее смывается из-за большей молекулярной массы, более сложной структуры ингредиентов и большего количества побочных продуктов реакции.

У бессвинцовых сплавов поверхностное натяжение приблизительно на 20% выше, чем у оловянно-свинцовых. Это сказывается на характеристиках смачивания. Результат можно увидеть, измерив краевой угол смачивания паяного соединения.

Оптимальные параметры для каждой паяльной пасты были определены по методу Тагучи. Затем в ходе проверочных экспериментов с оптимальными настройками были получены следующие данные.

Таблица 5. Краевой угол смачивания для различных паяльных паст, нанесенных на медные образцы и подвергнутых пайке оплавлением в атмосфере азота при оптимальных условиях

	Краевой угол смачивания, °		Остаток флюса, %
	Безотмывный флюс	Водосмываемый флюс	Безотмывный флюс	Водосмываемый флюс
SAC 305	19,2	16,9	23,2	55,7
SN100C	17,9	14,8	18,8	50,8
SnPb	9,5	9,2	21,2	59,4

С помощью термогравиметрического анализа измерялся остаток флюса после пайки. В случае бессвинцовых припоев остаток был меньше из-за более высоких температур в профиле пайки по сравнению с оловянно-свинцовыми припоями.

По своему составу водосмываемый флюс кардинально отличается от безотмывного. Его остаток на печатной плате имеет большую массу и совершенно иной состав. Он гигроскопичен и активен, но легко удаляется даже деионизированной водой.

Заключение

Отмывочные средства стали совершеннее, и отмывка после пайки превратилась в рентабельный этап производственного процесса в условиях, когда важнейшими факторами, угрожающими эксплуатационной надежности, являются коррозия и утечка тока.

Одной только деионизированной воды может оказаться недостаточно для удаления остатков флюса под малоразмерными SMD-компонентами. Она позволяет удалять только неионные остатки с поверхности печатной платы. Ввиду высокого поверхностного натяжения деионизированная вода неспособна проникать под компоненты с малым зазором между корпусом и платой.

Остаток безотмывного флюса можно отмыть, но чистая деионизированная вода не позволяет удалять твердые остатки, которые выделяют воду, а не растворяются в ней. Для полного удаления смол необходим омылитель.

Рис. 11. Риск снижения надежности для различных формул флюсов

Для полного смывания остатка предпочтительно использовать паяльную пасту с водосмываемым флюсом, потому что он легко удаляется, содержит более сильные активаторы и безопасен после отмывки. При неполном смывании есть риск снижения надежности (с миниатюризацией риск возрастает из-за малого зазора между корпусами компонентов и платой, высокой плотности монтажа, малой толщины проводников и малого расстояния между ними).

В данном материале в общих чертах рассказано о более современном методе контроля ионных загрязнений на серийных производствах, за основу которой взят пункт 2.3.25 из Стандарта IPC-TM 650. Он постепенно внедряется на производственных предприятиях в качестве одного из управляющих этапов в техпроцессе промышленного выпуска электронных компонентов, тем самым обеспечивая следование концепции «Шесть сигм».

Оценка повторяемости методики (Gauge R&R) на новых системах контроля по всему миру осуществлялась с помощью 0,1% калибровочного раствора NaCl. При ручной подготовке раствора и цели в 1,0 мкг/см2, полуширина доверительного интервала концентрации загрязнений на поверхности составила менее 0,1 мкг/см2 NaCl (±8,8%). Полученный результат допустим для использования в управлении техпроцессами производства, а также означает, что выбранный метод контроля можно использовать в промышленных масштабах.

Введение

Устройства управления на основе электронных компонентов все обширнее и теснее внедряются в производственные процессы, однако вместе с тем все острее ощущается необходимость обеспечить их стабильную устойчивость к электрохимической коррозии и электромиграции. Добиться этого можно исключительно на основе предварительных исследований, подтверждающих теоретические наработки.

При массовом выпуске электронных компонентов техпроцесс может содержать до 20 этапов химико-технологического процесса, и в большей части используются высококонцентрированные, склонные к диссоциации и образованию ионов вещества. И работа электрических потенциалов при высокой влажности и в условиях присутствия ионов с высокой вероятностью повышает появление химических реакций. В результате на печатных платах могут образовываться токопроводящие мостики (так называемые дендриты), которые вызывают преждевременные, непредвиденные повреждения электронных компонентов и узлов. Для того, чтобы оценить их стойкость, можно использовать метод анализа поверхностного сопротивления изоляции (в английском он известен как SIR или Surface Insulation Resistance).

Электрохимическая миграция – это процесс переноса электрохимически подвижной материи между дорожками под действием напряжения. В процессе металл анода частично растворяется и осаждается на катоде, что приводит к появлению дендритов. Факторы, которые оказывают влияние на электрохимическую миграцию, показаны на рисунке 1. В целом, для их возникновения достаточно водяной пленки, покрывающей токопроводящие дорожки, и разности потенциалов.

Рисунок 1. Слева: основные факторы, влияющие на электрохимическую миграцию. Справа: процесс образования токопроводящих мостиков между дорожками.

Ряд факторов не являются обязательными, но способствуют ускорению протекания процесса, например, ионные загрязнения. Их наличие может проявляться в виде:

• уменьшения энтальпии растворения металлов;
• снижения точки росы;
• сдвига значения pH (вверх или вниз);
• повышения электропроводности водяной пленки.

Именно по этой причине необходимо отслеживать уровень ионных загрязнений на ряде этапов стандартного техпроцесса, например, при поверхностном монтаже электронных компонентов. Для этого используются соответствующие средства управления и контроля, позволяющие оценить общий уровень ионных загрязнений и убедиться, что он не превышает допустимых пределов.

Оценка влагостойкости элементов

В качестве основы для оценки электрохимической стойкости можно использовать стандарт IPC-9202, в котором предусмотрено измерение SIR специальной тестовой платы B52, конструктивно близкой к тем, что используются в серийном производстве. В ней используются те же материалы самой платы, паяльные пасты и другие компоненты, что позволяет оценивать поведение условно стандартного сочетания в заданных условиях температуры и влажности.

Рисунок 2: Тестовая плата IPC B52, используемая для проверки электрохимической стойкости м поверхностного сопротивления изоляции. Имитирует поведение сочетания базовых конструктивных элементов в заданных условиях.

Контроль уровня ионных загрязнений как часть управления техпроцессом

Использующиеся сейчас методы определения ионных загрязнений перечислены в пункте 2.3.25 Стандарта IPC-TM 650. Базовый (на данный момент) метод определения удельного сопротивления экстракта загрязнений в растворителе (Resistivity Of Solvent Extract, ROSE) был разработан специально для контроля процесса промывки печатных плат при производстве электронных устройств управления. В настоящий момент применяется несколько различных основанных на нем методик измерения, но все их можно разделить на две группы с учетом принципиального устройства установок:

1. со статическим экстрагированием,
2. с динамическим экстрагированием.

Причем существенные различия в методах измерений не позволяют сравнивать между собой полученные разными способами данные. Кроме того, эти данные зачастую используются для определения абсолютного уровня чистоты печатных плат, хотя изначально они для этого не предназначены. Однако на практике контроль уровня ионных загрязнений может использоваться как один из способов управления техпроцессами для выявления ионных остатков на поверхности печатных плат в отдельных технологических операциях (в частности, при пайке) в процессе производства. Для этого в сотрудничестве с поставщиками систем контроля были интегрированы система и методика контроля, способствующие соответствию концепции «Шесть сигм», в том числе, при масштабировании на серию производств.

Технологический контроль уровня ионных загрязнений

Технологический контроль уровня ионных загрязнений (Process Ionic Contamination Testing, PICT) – более прогрессивная в сравнении с ROSE методика. Она предусматривает систему с замкнутым контуром обратной связи, работающую по классификации уже упомянутого стандарта IPC-TM 650. Принципиальное устройство системы показано на рисунке 3. Цикл контроля и цикл регенерации реализованы таким образом, что не оказывают влияния друг на друга. В частности, ионные остатки с обрабатываемых плат принудительно задерживаются в ионнообменной колонне при регенерации, пока электропроводность раствора не снизится до нужного уровня.

Рисунок 3. Принципиальная работа измерительной установки по методу PICT. Слева: режим контроля. Справа: режим регенерации.

Дополнительно при разработке этой методики был оптимизирован расход раствора, что позволило избежать турбулентности в ходе цикла контроля и ускорить удаление ионных загрязнений с поверхности печатного узла, тем самым сократив затрачиваемое на контроль время. Более того, этим также удалось уменьшить влияние реакции образования угольной кислоты из двуокиси углерода. Причем именно компенсация влияния двуокиси углерода считается основным условием сохранения воспроизводимости результатов измерений, поскольку в зависимости от условий окружающей среды электропроводность растворителя может повышаться в процессе образования угольной кислоты с последующим ее разделением на катионы водорода и карбонат-анионы. Подобное влияние удалось уменьшить математически вычислением поправочного коэффициента на основании серии экспериментальных измерений. Также при работе с растворами с низкой концентрацией ионов может использоваться высокоточная твердотельная ячейка, подключенная к баллистическому усилителю, для замеров электропроводности. Она позволяет добиться точности измерений в ±0,005 мкСм/см.

Перед тем, как новый метод контроля уровня ионных загрязнений попал в массовое использование промышленными производствами электроники, он прошел исследование повторяемости и воспроизводимости на серии предприятий. Соответствующее оборудование было интегрировано в производственный процесс на пяти предприятиях в различных частях мира. В каждом случае через датчик анализатора проводилось 2 мл измерительного раствора NaCl с массовой концентрацией 0,1%. Измерение электропроводности производилось в непрерывном режиме, после чего полученные значения пересчитывались в эквиваленте мг-экв/см2 NaCl по площади поверхности.

Результаты тестирования повторяемости указаны на рисунке 4. На одной из тестовых площадок в течение 3 дней было произведено 40 измерений с помощью раствора хлорида натрия с концентрацией 0,1%. Статистических выбросов в полученных показаниях не замечено. И, судя по собранной статистике, внутренний отказ анализатора был обнаружен с вероятностью 96,8%. При этом показания прибора ежедневно в течение трех дней понемногу росли и снижались на ночь. Подобную особенность можно объяснить изменением температуры измерительного раствора: ее рост ведет к росту подвижности ионов и, как следствие, к росту электропроводности. В результате методика была признана работоспособной с учетом необходимой точности (±10 %), а повторяемость – отвечающей концепции «Шести сигм».

Рисунок 4. Повторяемость измерений поверхностной плотности NaCleq в мкг/см2 на основании 40 измерений на одной из тестовых площадок.

Тестирование проводилось при помощи 5 разных анализаторов по унифицированной инструкции и указаниям по порядку местной калибровки, что позволило обеспечить единообразие измерений. Рисунок 5 отражает правильность подхода посредством сравнения показаний с каждой из пяти тестовых площадок. Как следствие, можно утверждать, что выработанная методика контроля уровня ионных загрязнений может использоваться в массовом промышленном производстве электронных узлов.

Рисунок 5. Сравнение результатов измерений на 5 отдельных тестовых площадках, расположенных в разных частях мира.

Влияние параметров и оптимизация процесса

Описанная методика позволяет исследовать влияние отдельных параметров техпроцесса на общий уровень ионных загрязнений. Результаты измерений показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Изменение уровня ионных загрязнений при изменении материалов или техпроцессов.

В результате исследования было выявлено, что различные материалы (к примеру, флюсы или паяльные пасты) достаточно сильно влияют на результаты изменения уровня ионных загрязнений. В частности, полученные данные сильно зависят от инкапсуляции и химической активности флюса, оставшегося на печатной плате после пайки. И поскольку влияние каждого отдельного материала велико, соответственно, чем больше этапов проходит изделие в процессе производства, тем сильнее изменения абсолютного значения на уровне изделия. Для его минимизации можно внедрить мониторинг отклонений параметров и выявление их первопричин с их последующим устранением для обеспечения стабильности технологического процесса.

Непосредственно контроль уровня ионных загрязнений может использоваться как часть управления техпроцессами для мониторинга уровня ионных остатков на поверхности электронных изделий после ряда технологических процессов.

Вывод

Как уже было отмечено, основной причиной электрохимической миграции служит наличие электрического поля и водяной пленки, покрывающей соседние токопроводящие дорожки платы. Ионные загрязнения – это побочный результат применения отдельных материалов и техпроцессов. Наиболее вредны они в условиях повышенных температур и влажности, так как в таких условиях ускоряются электрохимические процессы. И контроль уровня ионных загрязнений не может служить инструментом для прогнозирования влагостойкости печатных плат. Вместо этого можно использовать измерение поверхностного сопротивления изоляции (SIR) по Стандарту IPC 9202.

Результаты использования метода технологического контроля уровня ионных загрязнений (PICT) показывают его перспективность в сравнении с более распространенным сейчас методом определения удельного сопротивления экстракта загрязнений в растворителе (ROSE). За счет более оптимизированной системы и унификации рабочих инструкций при его использовании удалось соблюсти концепцию «Шести сигм» в плане повторяемости и хорошую воспроизводимость результатов измерений уровня ионных загрязнений на пяти производственных предприятиях в разных частях мира. Это подтверждает, что технология не только пригодна для интеграции в систему управления техпроцессами, но и открывает дополнительные возможности для их модернизации.

Среди актуальных испытаний, используемых для прогнозирования отказоустойчивости электронных узлов, можно выделить два наиболее интересных метода – CAF и SIR. И в этом материале мы расскажем о них подробнее.

Суть методов

CAF (Conductive Anodic. Filament)

Аббревиатура CAF в официальном ГОСТ Р 53386-2009 указана как «анодно-проводящие волокна базового материала печатной платы». Однако на практике гораздо чаще используется прямой перевод англоязычной расшифровки – проводящие анодные нити, а испытания, соответственно, показывают склонность электронного узла к их образованию.

Ключевые особенности испытания:

• Используется для печатных плат с финальным вариантом конструкции изделия.
• Образцы испытаний изготавливаются под индивидуального заказчика.
• Стандартные значения напряжений испытания и смещения – от 100 до 1250 В.
• Продолжительность испытания – 1000 ч.
• Условия окружающей среды – температура – +85°С, относительная влажность воздуха – 85%.
• Подробно методика указана в стандарте IPC-TM-650 (метод 2.6.25) и IPC

SIR (Surface Insulation Resistance)

В русскоязычной среде известно как Испытание для определения поверхностного сопротивления.

Ключевые особенности:

• Используется для печатных плат с финальным вариантом конструкции изделия.
• Стандартные значения напряжение испытания и смещения – до 100 В.
• Градиент напряжения – 25 В/мм.
• Компоненты тестового образца должны быть макетами, а не бракованными компонентами с кристаллами внутри.
• Макеты должны имитировать худший вариант конструкции, который с высокой вероятностью повлечет появление дефектов на одном из стандартных этапов производства.
• В узлах для автомобильной промышленности обычно приходится иметь дело либо с сочетанием высокого напряжения и слабого тока, либо низкого напряжения и сильного тока. Однако оба метода испытаний (SIR и CAF) выполняются только при высоком напряжении и слабом токе или низком напряжении и очень слабом токе.
• Ключевое значение имеет градиент напряжения.
• Диапазон измерений – 106-1014 Ом.
• Измерения зависят от напряжения.
• Сила тока зависит от напряжения по закону Ома.

Более полная информация о методе SIR указана в стандартах:

• PC-TM-650 (метод 2.6.3.7);
• IPC 9201;
• IPC 9202;
• IPC 9203;
• IEC 61189-5-501;
• IEC 61189-5-502 (год выпуска 2019)
• IEC TR 61189-5-506.

Экскурс в историю

Для лучшего понимания, стоит обратиться к истории появления обоих методов.

Радиоэлектронные компоненты с момента своего изобретения начали использоваться в самых разных направлениях, а одним из самых первых радиоэлектронных устройств стал радиолокатор, чей принцип действия основан на отражении радиоволн от твердых поверхностей. Это явление было открыто Генрихом Герцем еще в 1886 году.

Затем в 1936 более компактная модель радиолокатора была разработана Эдвардом Боуэном. Она начала использоваться в авиационной промышленности. В Великобритании новый прибор получил название в виде аббревиатуры RDF, что дословно можно расшифровать как «Искатель радиосигналов и определитель направления». Спустя небольшой промежуток времени стало понятно, что электроника не очень хорошо показывает себя при эксплуатации в сложных условиях окружающей среды. В частности, при высокой конденсации влаги, которая вызывает отказы в работе нового оборудования. Одним из первых вариантов решения проблемы стала изоляция поверхности плат шеллаком, который помимо электроизоляции обеспечивает и хорошую герметизацию поверхности. Это был первый случай в истории того, что сейчас известно под термином «конформное покрытие».

Постепенно электронные компоненты стали применяться все шире, и, а условия их эксплуатации становились все жестче. И постепенно электромеханические отказы стали проявляться даже в низкотоковых цепях. Вот что по этому поводу сказано в Справочнике IPC 9691: Впервые явление образования проводящих анодных нитей зафиксировано в 1976 году в лабораториях Bell Labs и Raytheon. Испытания Bell Labs [1, 2] с гибкими эпоксидными подложками выявили появление внезапных полных отказов радиоэлектронных узлов, работающих в условиях повышенной температуры, высокой влажности и высокого напряжения, обусловленные короткими замыканиями через подложку и по поверхности.

Примерно в то же время в Raytheon [3] Аарон Тер-Мартиросян проводил испытания коротких замыканий через подложку. Они были названы «проколом» (punch-thru), однако в 1979 этот вариант отказа уже обрел современное название – «образование проводящих анодных нитей» [4].

Все в тех же 1970-х более пристальное внимание оказалось обращено на отказы электромеханической природы вследствие поверхностных замыканий компонентов и узлов при рабочем напряжении до 100 В. В результате исследований свет увидело специализированное автоматизированное тестовое оборудование для выполнения измерений. В них тестовый экземпляр находился в климатической камере, а измерения проводились с интервалами в 20-30 минут. Ранее же измерения снимались вручную и, как правило, единожды в сутки, из-за чего было невозможно выявить рост большого количества дендритов, появляющихся за минуты или даже секунды.

Новый виток развития методов пришелся на 1980-е, когда в силу вступил Монреальский протокол об отказе от чистящих растворителей с ХФУ и стартовало массовое внедрение флюсов с минимальным содержанием твердых частиц. Они были названы безотмывочными и были хорошо приняты отраслью.

Испытания для определения поверхностного сопротивления изоляции (SIR)

Отказ по электрохимическому механизму происходит только при одновременном наличии трёх факторов:

1. электрического потенциала,
2. влажности,
3. ионных остатков.

Графически это отражено на так называемой диаграмме Венна (рис. 1), где изменение выраженности каждого фактора отображается изменением диаметра соответствующих окружностей.

Рис. 1. Диаграмма Венна, показывающая взаимную зависимость условий.

Для более быстрого достижения видимых результатов, испытания SIR проводятся при искусственно повышенных температуре и влажности, а для «запуска» электрохимической реакции используется напряжение смещения.

Если концентрация ионных остатков на испытательной подложке низкая, измеренное значение поверхностного сопротивления изоляции считается приемлемым. В случае высокой концентрации таких остатков (например, флюса или неправильно отверждённого паяльного резиста) возникают неприемлемые токи утечки, коррозия, электрохимическая миграция металлических ионов или рост дендритов (рис. 2).

В каждом стандарте или ТУ на проведение испытаний устанавливаются приемлемые и неприемлемые значения параметров.

Дуглас О. Полз, занимающий пост директора по технической деятельности IPC, а также председателя комитета IPC по отмывке и покрытиям, и старшего инженера-технолога компании Rockwell Collins говорит о методике следующее:

«SIR – это одна из методик, которая позволяет оценить надежность не только материалов электронных изделий, но и техпроцессов их производства. Их цель – выявить склонность к отказам по электрохимическим механизмам до того, как они массово проявятся в готовых изделиях».

Рис. 2. Зависимость появления дендритов от ионов.

Для испытаний SIR обычно используют стандартные тест-купоны со специально разработанными рисунками (чаще всего, встречно-гребенчатыми). Сопротивление их изоляции измеряют с заданной периодичностью в условиях изменяющихся значений влажности и температуры. Допустимый диапазон измерений сопротивления составляет от 106 до 1014 Ом. При этом ТУ на испытания допускают использование тест-купонов различных видов, а также изменение внешних условий.

В процессе исследований Национальная физическая лаборатория также изучала ряд вопросов, служащих источником неверных толкований и предметом частых споров. Их мы рассмотрим далее по тексту.

Стандартная конструкция тест-купона

Доказано, что результаты измерения поверхностного сопротивления изоляции зависят от геометрии и части конструктивных особенностей испытательного рисунка тест-купона. Исследования демонстрируют, что в зависимости от геометрии рисунка измеренные значения могут варьироваться в пределах одного порядка величины (рисунки 6 и 7).

Если SIR-тест используется для техпроцесса сборки, а не отдельного материала, важно выбирать для тест-купона и испытательного рисунка те же материалы (слоистая основа, маска и металл), которые применяются в серийном производстве.

Если в испытательном рисунке присутствуют площадки для монтажа компонентов, макеты компонентов, устанавливаемых на этих площадках, не должны иметь внутренних соединений. Часто в качестве макетов используются компоненты с повреждёнными кристаллами внутри, однако они не подходят для использования в тестах SIR.

При разработке испытательных рисунков необходимо предусмотреть закругление на концах проводников, чтобы предотвратить образование резких переходов, на которых может начаться электрохимическая миграция (рисунок 3). Также правильно разработанный испытательный рисунок должен включать защитные («земляные») проводники для полной изоляции линий питания от плоскости «земли». Особенно важен этот момент при испытаниях с высокими напряжениями.

Рис. 3. Закругленные концы дорожек на встречно-гребенчатой структуре.

В первых испытаниях SIR использовался W-образный рисунок (рисунок 4). Он активно эксплуатировался при ручном измерении, поскольку упрощал замеры сопротивления между парами точек. Однако с приходом автоматизированных тестов стала использоваться более прогрессивная встречно-гребенчатая структура (рисунок 5).

Рис.4. W-образный рисунок для ручных тестов.

Рис. 5. Базовая встречно-гребенчатая структура для автоматизированных испытаний SIR.

Напряженность электрического поля

Средние значения тока, полученные на испытаниях SIR, обычно не превышают 15 пА, иногда – 1 пА, поэтому и напряженность электрического поля, и градиент напряжения в значительной степени влияют на результаты тестов. Этот момент подтверждается исследованиями Национальной физической лаборатории Великобритании, в которых была наглядно показана важность конструкции тест-купона (рисунки 6 и 7). Полученные значения измерений показывают, что сопротивление зависит от напряженности существующего электрического поля, из-за чего не определяются одним только законом Ома. Это напрямую доказывает, что рисунок на тест-купоне и напряжение, использованное при испытаниях, должны соответствовать таковым у реальных электронных узлов.

Рис.6. Изменение напряженности электрического поля.

Рис.7. Градиент напряжения.

Градиент напряжения

Градиентом напряжения называется приложенное напряжение, поделенное на расстояние между соседними проводниками и выраженное в В/мм. Обычно в отчетности по испытаниям указывается прилагаемое напряжение, однако на различных областях рисунка на тест-купоне расстояние между проводниками может быть разным, из-за чего существуют области с различающимся градиентом напряжения.

В качестве примера можно привести плату IPC-B52, с приложенным к рисунку напряжением в 50 В. У части рисунков на ней шаг между проводниками составляет 0,15 мм (и градиент напряжения 333 В/мм), но на ряде областей используется шаг 0,64 мм (и, соответственно, градиент 78 В/мм). Более того, в некоторых тестах важно, чтобы напряжение смещения и измерительное напряжение были противоположных полярностей.

Согласно многочисленным исследованиям, в испытаниях SIR оптимальным можно считать градиент в 25 В/мм и пониженное напряжение смещения и измерительного напряжения (5 В). Также исследования показывают, что значение SIR не всегда подчиняется закону Ома из-за протекающих электрохимических процессов, соответственно при испытаниях важно использовать то же напряжение, которым будут питаться устройства в процессе эксплуатации.

Специально для установки технологических характеристик материалов по стандартам IPC 9202, IPC 9203 и IEC 61189-5-502 был создан стандарт IPC B52, в котором содержится информация об одноименной испытательной плате (рисунок 8). Сейчас финальная редакция этого стандарта обозначается как Rev A. И, как можно видеть по фотографии платы, она представляет собой унифицированное многокомпонентное изделие, которое может использоваться для моделирования эффектов от технологических остатков под компонентами и по периметру при различных конфигурациях готового изделия.

Рис. 8. Испытательная плата стандарта IPC B52 Rev A с установленными компонентами.

Стоит подчеркнуть, что использовать при тестировании сразу все возможные компоненты не обязательно – можно обойтись только теми, сочетание которых соответствует готовому изделию имитируемому тестовой платой.

Сейчас также рассматриваются обновленные варианты тестовых плат с использованием более современных типов компонентов, например, QFN и BTC.

Конструкция тестовой платы: итоги

Серия испытаний, проведенная в разных странах, продемонстрировала потребность в проектировании единого универсального тест-купона, с помощью которого можно было бы определить характеристики используемых материалов. В частности, повышение плотности монтажа с необходимым уменьшением шага между соседними проводниками вплоть до 200 мкм.

Новый тест-купон стандарта IPC B53 (рисунок 9) указан в техническом отчете МЭК IECTR 61189-5-506, причем в нем содержится сразу несколько вариаций рисунка:

• 2 вида рисунка платы IPC B24 с шириной 400 мкм и шагом 500 мкм.
• 2 вида с азиатского рынка, основанные на устаревших патентах Bellcore с шириной 318 мкм и шагом 318 мкм,
• 2 вида с малым шагом – шириной 400 мкм и шагом 200 мкм.

Рис. 9. Плата IPC B53/IEC TB144

Ширина проводников в 400 мкм выбрана для более простого нанесения паяльной пасты, которую можно использовать для монтажа компонентов поверх рисунков.

В завершении того же отчета содержатся иллюстрации (рисунок 10), которые показывают, что использование шага 200 мкм обеспечивает те же результаты, что и большие значения шага, позаимствованные из стандартов IPC B24 и IPC B25. Этот момент подчеркивает, возможность и целесообразность его дальнейшего использования.

Рис. 10. Влияние шага на SIR.

Частота измерений

Большая часть современных испытаний SIR проводится вручную, поэтому у них относительно низкая частота. К примеру, показания снимаются 1 раз в 24 часа, что приводит к указанной выше проблеме: большая часть отказов по электрохимическим механизмам возникает между измерениями, не оставляя следов возникновения, которые можно было бы исследовать. Поэтому, чем выше частота измерений, тем больше вероятность их выявления. Более того, если в измерительный канал добавить токоограничительный резистор с сопротивлением 1 МОм, можно сохранить дендриты, тем самым получив материал для дальнейшего изучения (рисунок 11).

Рис. 11. Временная зависимость поверхностного сопротивления изоляции SIR.

Дальнейшие эксперименты доказали, что на возникновение подобных отказов зачастую требуется всего нескольких секунд, что в итоге привело к внесению изменений в существующие стандарты и выпуск их новых редакций. В целом, они сводятся к тому, что проводить тесты следует с частотой не реже чем раз в полчаса, а также использовать большое количество (до 256) измерительных каналов. Удобнее всего реализовать это в автоматизированных системах. Например, в системе AutoSIR2+, выпускаемой Gen3, измерения на одном канале производятся с частотой менее 15 мс, а на всех 256 – менее чем за 10 с.

Условия тестирования

Обычно уровень поверхностного сопротивления изоляции снижается вместе с ростом температуры и влажности окружающей среды. Происходит это за счет образования монослоев влаги на тестируемом образце, а также присутствия в ней ионных остатков, которые приводят к уменьшению сопротивления.

В стандартах указываются достаточно существенно разнящиеся значения используемых уровней температуры и влажности, необходимые для проведения испытаний. Все дело в том, что одни стандарты используются для моделирования реальных условий использования тестируемых электронных узлов, другие – для ускорения проявления механизмов отказа, например, токов утечки, коррозии и прочих.

При оценке характеристик материалов и техпроцессов условия испытаний критически важны. Изначально большая часть испытаний проводилась при температуре +85°С и влажности 85%. Однако сейчас, когда при производстве активно используются несмываемые флюсы, которые в подобных условиях испаряются, рекомендуемые температуры испытаний снизились до +40°, а влажность, наоборот, выросла до 90%. А в тестах для определения характеристик техпроцессов (к примеру, по стандарту IEC 61189-5) условия должны соответствовать предполагаемым условиям использования готового изделия.

Монтаж тест-купона

В прошлом единственным приемлемым методом было неразъёмное соединение измерительного кабеля с тест-купоном. Чтобы остатки флюса на зубьях гребенки тест-купона не влияли негативно на результаты испытаний, рекомендовалось использовать бесфлюсовую пайку, однако это сложный, трудоёмкий и дорогостоящий процесс.

В 1997 году компания Gen3 впервые представила специализированные испытательные стенды, которые стали широко использоваться и успешно применяются пользователями уже более 20 лет (рисунок 12).

Рис. 12. Компактный испытательный стенд производства Gen3

Разумеется, испытательный стенд изнашивается так же, как и тест-купон, поэтому он изготовлен на электрополированных стальных рамах, а монтажные и торцевые соединители выбираются и устанавливаются очень тщательно.

В комплекте со стендом Gen3 поставляется разветвлённый ленточный кабель специальной конструкции, совместимый с большинством используемых сегодня тест-купонов. Обычно у него предусмотрено 34, 36 или 42 ответвления. Они рассчитаны на номинальное напряжение 300 В. Для работы с более высокими напряжениями компания Gen3 разработала неразветвлённый экранированный кабель с номинальным напряжением 1250 В. Экранирование необходимо для устранения или минимизации влияния трибоэлектрических эффектов и других электромагнитных помех.

Торцевые соединители, способные выдерживать жёсткие условия эксплуатации, регламентированные стандартами, в течение 1000 часов, встречаются редко. Многие опробованные соединители отказывали ещё до начала испытаний, поэтому специалисты настоятельно рекомендуют подходить к выбору соединителя с максимальной тщательностью.

В последнее время, отчасти из-за появления нового поколения электромобилей, ожидаемые рабочие напряжения выросли до 1250 В и выше. В связи с этим во многих областях становится сложнее проводить испытания для определения поверхностного сопротивления изоляции и использовать макеты компонентов, которые принципиально не способны выдерживать такие высокие напряжения. Очевидно, что кабели, являющиеся важным конструктивным элементом испытательного стенда, требуют особого внимания в плане обеспечения безопасности пользователей.

В связи с этим компания Gen3 разработала специальное техническое решение — CLR1250 BRIDGE, которое служит промежуточным звеном между измерительным прибором и испытуемым образцом.

Результаты

Первые измерительные устройства представляли собой мультиплексные системы, которые последовательно переключались между каналами, ожидали установления сигнала (что могло занимать несколько часов) и затем измеряли сопротивление, записывая результаты в электронные таблицы, где они могли быть представлены следующим образом: 10E08 — 10^8 — 1E08 — 106 Ω — 10^8 Ω.

Поскольку при определении поверхностного сопротивления изоляции используются крайне слабые токи, для правильной интерпретации результатов таких измерений необходимо принимать во внимание ряд ключевых факторов. Подробные рекомендации по этому вопросу можно найти в «Руководстве по испытаниям для определения поверхностного сопротивления изоляции» (IPC-9201).

При изучении характеристик производственных процессов существенное влияние на итоговый результат оказывает выбор материалов для испытаний с целью определения поверхностного сопротивления изоляции. Если целью испытаний является определение характеристик материалов (например, оценка флюса согласно IPC-J-STD004), то можно использовать исключительно материал FR-4 и медную поверхность без покрытия, чтобы обеспечить единую основу для сравнительного анализа. Однако если такие испытания проводятся в рамках оценки производственного процесса, важно, чтобы набор материалов, проверяемых на электрохимическую совместимость, соответствовал материалам, используемым в конечном изделии.

При проведении испытаний с использованием тест-купона B52 и макетов компонентов следует учесть, что не все компоненты, установленные на тест-купоне, будут действительно макетами. Конденсаторы, резисторы и другие дискретные компоненты будут реальными, поэтому результаты испытаний следует интерпретировать с учётом их параметров и влияния.

Важно помнить, что не только емкость конденсаторов может сказываться на итоговых значениях. Зачастую даже одинаковые элементы, но произведенные разными компаниями, могут давать ощутимую разницу в измеренном сопротивлении.

Примеры результатов.

Предварительно, перед испытанием, рекомендуется прозвонить цепь для того, чтобы удостовериться в точности измерений (рисунок 13).

Рис. 13. Данные с прозвонки цепи.

Для этого применяют тест-купон с резисторами известных номиналов. Чаще всего, используют набор из резисторов на 106, 107, 108 и 109 Ом (рисунок 14).

Рис. 14. Тест-купон с установленными резисторами для прозвонки цепи.

На рисунке 15 можно увидеть испытательные рисунки A и С, загрязненные активным флюсом и испытываемые при +40°С, влажности 93% и напряжении смещения 5 В. Спустя сутки между защитными проводниками и проводниками для подачи напряжения смещения были обнаружены дендриты (3,4,5). Также они появились между сигнальными и защитными проводниками (1,2). Результатом их появления стало сильное падение напряжения смещения. Однако внутри самого рисунка дендриты практически не появились. Подобный рост считается пороком не только проводимых испытаний, но и всей методики.

Рис. 15. Рост дендритов при испытаниях.  Для измерения сопротивления поверхностной изоляции необходимо контакты 2, 7, 18, 22 соединить с входами измерительных каналов; контакты 3, 6, 8, 14, 19, 21, 22, 23, 30, 31 соединить с «землей»; контакты 4, 9, 20, 24 соединить с источником напряжения смещения.

CAF — испытания на склонность к образованию проводящих анодных нитей

Механизм отказа, связанный с образованием проводящих анодных нитей (CAF), представляет собой процесс коррозии медной металлизации печатной платы, приводящий к короткому замыканию. Этот тип отказа обусловлен электрохимической миграцией ионов меди между анодом и катодом. Миграция происходит в направлении от анода к катоду, в отличие от механизма отказа, описанного ранее, где паразитные перемычки растут от катода к аноду, образуя дендриты.

Иногда механизм отказа, связанный с образованием проводящих анодных нитей, также называют механизмом образования анодно-катодных нитей (Cathodic Anodic Filament), поскольку паразитные перемычки растут под воздействием электрохимической миграции от анода к катоду. Перемычка представляет собой химическое соединение металла (соль), и для проведения тока она должна подвергнуться гидролизу. Таким образом, короткое замыкание, вызванное проводящими анодными нитями, может исчезнуть вне нагретой влажной среды.

Отказы, на которые влияет CAF

Образование проводящих анодных нитей обусловлено сочетанием приложенного напряжения смещения и высокого уровня влажности. Для роста этих нитей необходимы следующие факторы:

• наличие электрического поля,
• дефекты или уязвимые участки, через которые происходит рост,
• повышенная влажность материала печатной платы,
• присутствие ионов, способствующих коррозии.

Обычно уязвимые участки располагаются вдоль слабых связей между армирующими волокнами стекловолокна и окружающей их смолой. В результате растущая электрохимическая перемычка приобретает форму тонкой нити (обычно толщиной около 1 микрометра), которая тянется вдоль волокна стеклоткани.

Рис. 16. Образование проводящей анодной нити.

На рисунке 16 слева вверху изображен рост проводящей нити от анода, а также возможные типы ионов, перемещающиеся в обоих направлениях между отверстиями. Сверху справа можно заметить проводящую анодную нить, растущую вдоль нити стекловолокна, в соответствии с графиком напряженности электрического поля между двумя полюсами, а также графиком pH-среды, в которой находятся обе нити. Непосредственно в месте появления нити среда с повышенной кислотностью, однако за окончанием нити pH возрастает вместе с уменьшением расстояния до катода, и в то же время уменьшается растворимость меди. А в точке окончания анодной нити среда меняется и образуется точка осаждения соли меди. Внизу слева представлено фото с оптического микроскопа, где запечатлена серия проводящих анодных нитей, появившихся в пучке стекловолоконных нитей. Они отображаются белым. В правом нижнем углу показана элементная карта со сканирующего электронного микроскопа, по которой можно понять, что в местах расположения проводящих анодных нитей сосредоточены образования хлорида и сульфида меди.

Вероятность отказов в результате образования проводящих анодных нитей повышается вместе с появлением следующих условий:

1. Уменьшение или полное исчезновение адгезии между стекловолокном и смолой при сверлении отверстий или нарушении технологии обработки стекловолокна, расслоении, высоких механических или термических напряжениях или снижении химической стойкости смолы.
2. Достижение температуры и влажности уровня, на котором начинается реакция.
3. Проявление градиента pH, стимулирующего образование проводящих нитей.
4. Градиент напряжения между соседними дорожками платы в диапазоне около 3-1250 В.
5. Часть ингредиентов флюсов для пайки, например, полигликоль, а также ионные загрязнения, являющиеся следствием технологической обработки.

Чем выше плотность монтажа электронных компонентов на плате, тем выше риск образования токопроводящих нитей. Причем они могут соединять не только дорожки на плате, но и отверстия, а также проходить от одной плоскости к другой. Также токопроводящие нити могут образовываться и в других местах, но обычно гораздо позже.

При проведении испытаний на предрасположенность к появлению проводящих анодных нитей оценивается вероятность их появления между металлизированными сквозными отверстиями. Причем чем больше отверстий на плате, тем выше эта вероятность. Как можно видеть на рисунке 17, отверстия в одном ряду соединяются между собой, а ряды с противоположной полярностью чередуются.

Рис. 17. Схема отверстий в тестовой плате с гребенчатой структурой.

Подобная идея реализована в тест-купоне с рисунками с разным шагом (рисунок 18).

Рис. 18. Печатная плата для тестов на склонность к образованию проводящих анодных нитей.

Эта же тестовая плата, но уже на тестовом стенде в готовом к проведению испытаний виде, изображена на рисунке 19. Автоматизированная система AutoCAF2+, о которой мы уже говорили выше, может проводить испытания с 256 каналами, поэтому эксперимент дополнительно оптимизировали: на тест-купон нанесено 16 различных рисунков, а на стенд монтируется сразу 16 тест-купонов. В приборе установлен последовательно включенный резистор на 106 Ом, за счет которого удается сохранить появившиеся в ходе испытаний анодные нити для дальнейшего анализа причин отказов.

Рис.19. Тест-купоны в климатической камере.

Впервые явление образование токопроводящих нитей было обнаружено еще в 1970-х, однако наибольшее значение оно обрело только сейчас. И причины для этого несколько:

• Вместе с прогрессом расстояния между электронными компонентами неуклонно уменьшаются, что в итоге приводит к повышению напряженности электрического поля.
• Использование высоких напряжений при эксплуатации. Например, это часто проявляется в актуальной сейчас отрасли развития электротранспорта.
• Модернизация технологий производства слоистых материалов с целью увеличения температуры их обработки и снижения себестоимости.

В ходе многочисленных исследований было подтверждено, что образование проводящих анодных нитей связано с серией факторов. Например, в 2004 году Национальная физическая лаборатория провела масштабное исследование с целью оценки чувствительности явления к ряду параметров. Результаты были опубликованы в отчете MATC(A) 155, а также представлены на графике (рисунок 20). Несмотря на то, что график – это лишь снимок, он все же показывает, как можно сравнить результаты исследований материалов, конструкций, изделий конкретного производителя и других переменных для дальнейшего выбора оптимального материалы и оценки их чувствительности к ряду оказывающих влияние факторов.

Рис. 20. Отчет MATC(A) 155 о зависимостях образования анодных нитей.

Как и в испытаниях SIR, в испытаниях CAF крайне важна высокая частота снятия показаний, чтобы можно было отследить переходные процессы при скачках падения сопротивления в момент замыкания через проводящие анодные нити. Также испытания CAF проводят со строгим соблюдением условий окружающей среды: температура должна составлять +85°С, а относительная влажность воздуха – 85% (обычно используется отметка 85/85).

Цель испытания – подвергнуть тестовые образцы плат воздействию высокой влажности. При этом если при испытаниях SIR есть потребность к снижению температуры, которая на высоких значениях приводит к испарению ионных остатков, то в испытаниях CAF важно обеспечить более высокие значения напряжений – выше 100 В, а у отдельных образцов даже 1250 В и более.

Факторы, уменьшающие вероятность образования проводящих нитей в слоистых материалах

Смола:

• низкое влагопоглощение,
• в дициандиамидных смолах вероятность отказов выше, но и в продуктах, содержащих дициандиамиды, возможны некоторые улучшения;
• чистота компонентов.

Тепловое сопротивление материала:

• смола с низким температурным коэффициентом расширения (КТР) – для уменьшения разности в КТР между смолой и стекловолокном;
• высокая температура разложения – для предотвращения снижения адгезии между смолой и стекловолокном.

Стекловолокно:

• чистота, высокие показатели впитываемости,
• качество нанесения силанового финишного слоя,
• правильное распределение нитей (рисунок 21).

Рис. 21. Распределение нитей и показатели воздухопроницаемости в различных типах стеклотканей.

Факторы, оказывающие влияние на образование анодных нитей

Слоистый материал:

• состав смолы,
• тепловое сопротивление слоистого материала,
• впитываемость стекловолокна,
• плетение и финишное покрытие стекловолокна,
• расположение волокон.

Конструкция:

• конфигурация сетки и расстояние между отверстиями,
• рабочее напряжение,
• полярность соседних переходных отверстий,

Производитель печатной платы:

• технологический уровень,
• более прогрессивные методы производства благотворно сказываются на устойчивости к образованию проводящих анодных нитей,
• если материал устойчив к их образованию, это не гарантирует, что готовая плата будет обладать такой же устойчивостью.

Более подробные сведения указаны в стандарте IPC 9691.

Испытания CAF при высоком напряжении

Как мы уже отметили, развитие отрасли производства электромобилей обусловило появление новых сложностей – необходимости проведения испытаний с высокими напряжениями. В частности, необходимые значения установлены стандартом ISO PAS 19295:2016(E). В нем установлены следующие пиковые значения: 220, 420, 470, 750, 850 и 1250 В. При этом предполагается, что на всем сроке эксплуатации в автомобиле будет использоваться максимальное напряжение. Поэтому изначально длительность испытаний была установлена по нижней границе в 1000 часов, но в дальнейшем будет увеличена до 2500 часов, что примерно соответствует среднему сроку службы автомобиля.

Тем не менее, высоковольтные стенды для испытаний CAF сейчас все еще массово не выпускаются, однако предполагается, что они появятся со временем, когда будет собрано больше данных, полученных в результате штатных испытаний, проводимых крупными производителями электрокаров. Однако для их нужд компания Gen3 разработала специальное устройство сопряжения CLR1250 BRIDGE, которое, в том числе, в испытаниях CAF, в том числе, с высоким напряжением.

Справочная информация:

Материал подготовлен на основе исследования специалистов компании Gen3, а также использована дополнительная литература:

1. Boddy P. J., et al. Accelerated Life Testing of Flexible Printed Circuits: Part I: Test Program and Typical Results // IEEE Reliability Physics Symposium Proceedings, 1976. Vol. 14/
2. Delaney R. H. and Lahti J. N. Accelerated Life Testing of Flexible Printed Circuits: Part II Failure Modes in Flexible Printed Circuits Coated with UV-Cured Resins // IEEE Reliability Physics Symposium Proceedings. 1976. Vol. 14.
3. Der Marderosian A. Raw Material Evaluation through Moisture Resistance Testing. IPC Fall Meeting, San Francisco, CA, 1976.
4. Lando D. J., Mitchell J. P. and Welsher T. L. Conductive Anodic Filaments in Reinforced Polymeric Dielectrics: Formation and Prevention // IEEE Reliability Physics Symposium Proceeding. 1979. Vol. 17.