SamsPcbGuide, часть 10: Технологии, пайка бессвинцовых компонентов
Данная статья — первая статья о технологиях сборки печатных плат. Последний семинар от PCB SOFT был посвящён проектированию, обеспечивающему технологичность изготовления печатной платы (англ. DFM, design for manufacture). Был поднят вопрос о целесообразности реболлинга бессвинцовых BGA-компонентов для высоконадёжных применений. И организаторы семинара, и участники уверенно говорили о том, что эту трудоёмкую операцию никто не выполняет и с проблемами никогда не сталкивался. В данной статье я критически рассмотрю этот вопрос и постараюсь показать опасность таких «общепринятых в отрасли» мнений и о пользе метода универсального сомнения старины Рене Декарта.
В 2006 году была принята директива RoHS, ограничивающая применение свинца и других признанных вредными элементов в потребительской и промышленной электронике. Это привело к тому, что большинство производителей электронных компонентов перешло на бессвинцовые корпуса, а заказ компонентов в исполнении со свинцовосодержащими выводами не всегда доступен. При этом технология пайки с применением припоев с высоким содержанием свинца никуда не делась (в ГОСТ Р 56427–2015 она, к слову, названа традиционной). Выбор припоя и/или паяльной пасты остаётся за разработчиком печатной платы, поэтому, если выбор сделан в пользу свинцовосодержащего припоя, возникает проблема пайки бессвинцовых компонентов (англ. mixed-alloy process), особенно в корпусах BGA-типа (соразмерность долей припоев). Основной вопрос заключается во влиянии смешения припоев на надёжность соединения. Вышеуказанный ГОСТ даёт однозначный ответ:
Для РЭС класса С по ГОСТ Р МЭК 61191–1–2010 недопустим отказ, аппаратура должна функционировать в любое время включения, в том числе в жёстких условиях. Эти требования относятся не только в аппаратуре военного и космического применения, надёжными должны быть, например, и ответственные промышленные системы.
Откуда в ГОСТе возникло такое требование? Это вопрос к разработчикам стандарта, которые, скорее всего, перевели зарубежный стандарт, которому, вероятно, уже 5–10 лет, а откуда требование возникло там, вообще не разобраться. И при этом участники семинара, о котором я писал в начале, представляющие срез отечественной электроники именно ответственного применения, отрицательно качали головой головой при слове «реболлинг». Возможно, у них есть положительный опыт, я не спорю, я просто против обобщений и уверенности, базирующихся на невежстве. Кто их них (и из вас, читатели) читал стандарт? А те, кто следуют стандарту, уверены, что данная операция в техпроцессе обязательна в их конкретном случае? Сама операция не снижает надёжность? Кто проводил экспериментальное исследование надёжности используемой технологии поверхностного монтажа? Потому что всё дело в эксперименте, в правильно поставленном эксперименте. Другой источник информации — анализ доступных данных от сторонних исследователей. Ниже я приведу обобщение нескольких статей на тему надёжности пайки бессвинцовых компонентов.
Температура плавления (ликвидус, TL) бессвинцовых припоев на 30–40 oC выше, чем свинцовосодержащих, поэтому, в зависимости от термопрофиля пайки и распределения теплового поля на печатной плате, можно получить различную степень смешивания в паяном соединении (рис. 1). Наличие зон концентрации и неоднородностей как самих металлов, так и интерметаллидов в припойном соединении снижает его долговременную надёжность, так как такие макроструктуры являются наиболее местами образования и распространения трещин. Хотя в большинстве статей из списка литературы приводится анализ микрофотографий сечения соединений, единой теории причины образования трещин не прослеживается.
В таблице 1 представлены сводные результаты исследовательских работ, в основе которых лежал следующий типовой эксперимент: для фиксированного сочетания припоев BGA-компоненты, запаянные при различных термопрофилях, термоциклировались до возникновения функционального сбоя или неконтактирования. Также исследовалась зависимость от размера корпуса, в ряде работ изучалось влияние расположения компонента на печатной плате, влияние адгезива типа «underfill», финишного покрытия печатной платы и др.
При анализе представленных данных следует обращать внимание только на относительные показатели надёжности в рамках одного эксперимента, а также на общие закономерности для всех экспериментов. Один из выводов заключается в следующем (он также делается в большинстве статей): при использовании традиционной пайки для бессвинцовых компонентов необходимо достигать полного смешивания припоев при пиковой температуре 220…230 oC, при этом время пайки выше TL (SnPb) должно составлять 60–120 с, время выше TL (SAC) ~ 30 сек.
В статьях нет явных указаний, выполнялся ли реболлинг BGA-компонентов для получения свинцовосодержащих шариков, но пониженные значения надёжности для этих случаев позволяет предположить, что реболлинг может приводить к снижению надёжности. В статье, посвящённой реболлингу [8], сообщается о положительных результатах термоциклирования, однако заявленная продолжительность эксперимента в 24 часа не могла обеспечить достаточного количества циклов. Поэтому вопрос снижения надёжности в результате реболлинга остаётся открытым, а в качестве базового сценария рекомендуется смешанная пайка с экспериментальным подбором термопрофиля.
Призываю отнестись к представленным данным с универсальным сомнением и поделиться в комментариях своим экспериментальным опытом.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Rick Gunn,» Mixed Metals Impact on Reliability»
[2] Richard Coyle, Raiyo Aspandiar, etc. «The Effect of Pb Mixing Levels on Solder Joint Reliability and Failure Mode of Backward Compatible, High Density Ball Grid Array Assemblies»
[3] Robert Kinyanjui, Quyen Chu, etc. «Solder Joint Reliability of Pb-free Sn-Ag-Cu Ball Grid Array (BGA) Components in Sn-Pb Assembly Process»
[4] Robert Kinyanjui, Raiyo Aspandiar, etc, «Challenges in Reflow Profiling Large and High Density Ball Grid Array (BGA) Packages Using Backward Compatible Assembly Processes»
[5] Adam R. Zbrzezny, Polina Snugovsky, etc, «Reliability Investigation of Mixed BGA Assemblies»
[6] Richard Coyle, Richard Popowich, Peter Read, etc. «The Relationship between Backward Compatible Assembly and Microstructure on the Thermal Fatigue Reliability of an Extremely Large Ball Grid Array»
[7] Alan Brewin, Christopher Hunt, etc. «Reliability Of Joints Formed With Mixed Alloy Solder»
[8] J. Li, S. Poranki, M. Abtew, etc. «Reliability Assessment Of Reballed BGAs»
