ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАЯЛЬНОГО ПОРОШКА С РАЗМЕРОМ ЧАСТИЦ Т4 НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕНОСА ПРИ ПЕЧАТИ

АВТОРЫ: КАРЛ СИЛИГ, ВИЦЕ-ПРЕЗИДЕНТ ОТДЕЛА РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ, И ТИМ О’НИЛЛ, РУКОВОДИТЕЛЬ ОТДЕЛА ТЕХНИЧЕСКОГО МАРКЕТИНГА

Отрывок. В мире электроники всегда существует потребность уменьшить частицы и увеличить функциональность. Для достижения этих целей индустрия электротехники производит самые маленькие из известных ранее устройств и оборудование, способное работать на базе этих устройств. Эволюция BGA-корпусов и бессвинцовых устройств подходит к самой вершине существующих технологий сборки и соответствующих материалов.

С появлением и закреплением на рынке монтажа печатных плат миниатюрных компонентов инженеры достигли предела в использовании паяльных паст на основе частиц с размерами 3-го типа, которые в настоящее время предлагают большинство производителей.

Цель настоящего исследования – определить влияние порошка сплава SAC305 на объем пасты при использовании порошка с размерами частиц 3-го, 4-го и 5-го типа в сочетании с трафаретами из нержавеющей стали лазерной вырезки, трафаретами, полученными гальваническим нанесением металла на модель, и трафаретами лазерной вырезки с нанопокрытием. Исследование обращается к бессвинцовым компонентам QFN- и BGA-микрокорпусов и оптимизированным конструкциям апертур. В ходе испытаний будет исследована эффективность пасты при печати в режиме «пауза-печать» и объем переноса на двадцати печатных платах в течение восьми часов. Дополнительное исследование тех же печатных плат будет направлено на изучение влияния размера частиц порошка на порообразование на заземляющих контактных площадках QFN-корпуса с использованием восемнадцати конструкций апертур.

Введение

При наличии таких компонентов, как QFN-корпуса, BGA-микрокорпуса и при наличии 01005 пассивных компонентов, для которых характерны малые площади и соответствующая геометрия контактных площадок, не исключено, что паяльная паста на основе порошка 3-го типа содержит слишком крупные частицы, а это в свою очередь не способствует точному и повторному нанесению пасты. Эта проблема оказывает негативное воздействие на все аспекты производственного процесса, а не только на монтажный процесс компонентов печатных плат с использованием такой паяльной пасты.

1) Нанесение пасты печатью. Существует устоявшееся мнение о том, что самый малый размер апертуры, через которую паяльная паста способна проходить, в пять раз больше сферической формы частицы металлического порошка. Сферический размер частицы пасты 3-го типа составляет 45 мкм с допуском до 53 мкм. Теоретически апертура с размером 8,9 мил является апертурой с самым малым размером, через которую можно печать паяльную пасту 3-го типа.

Тип порошка

< 0,005×t %
больше, чем

< 1×t %
больше, чем

80×t %
между

90 %
между

< 10 % меньше, чем

1

180 мкм

150 мкм

150–75 мкм

 

20 мкм

2

90 мкм

75 мкм

75–53 мкм

 

20 мкм

3

53 мкм

45 мкм

45–25 мкм

 

20 мкм

4

45 мкм

38 мкм

 

38–20 мкм

20 мкм

5

32 мкм

25 мкм

 

25–15 мкм

15 мкм

6

25 мкм

15 мкм

 

15–5 мкм

5 мкм

Рисунок 1. Стандарт ИПП J-STD-006A. Характеристики распределения размеров частиц

2) Конструкция трафарета. Существует множество аспектов, которые необходимо учитывать при выборе правильной конструкции трафарета для сборки определенного типа. В целях настоящего эксперимента была установлена цель – довести количество переменных факторов до минимума и удостовериться в том, что полученные результаты отражают факторы в пределах нашего контроля.

Никелевые трафареты, полученные гальваническим нанесением металла, считаются самыми функциональными трафаретами из всех существующих типов. Трафареты имеют уклон, гладкие стенки и являются достаточно скользкими, что обеспечивает отличное извлечение паяльной пасты. При этом такие трафареты стоят значительно дороже обычных трафаретов с электрополированной поверхностью, выполненных лазерной резкой, и не всегда имеются в наличии.

Выполненные с помощью лазера трафареты – это достаточно новая разновидность трафаретов. Такие трафареты вырезаются усовершенствованными лазерными установками в сочетании с фольгой с высоким содержанием никеля. Эти трафареты представляют собой доработку стандартных вырезанных лазером трафаретов, при этом стоят дешевле, чем никелевые трафареты, полученные гальваническим нанесением металла. В ходе исследования мы использовали трафареты, выполненные на базе этих двух технологий.

В заключение добавим, что некоторые производители начинают предлагать трафареты с нанопокрытием (термин, который появился совсем недавно). Эта технология и способ обработки являются запатентованным изобретением, при этом сам процесс можно описать следующим образом. «После обработки щеткой и очистки вырезанный лазером трафарет проходит через специальный аппарат, который наносит на него покрытие. Неорганическое покрытие растворяется в крайне безопасном для окружающей среды растворителе. Стабильная толщина нанопокрытия – это ключевая задача технологии нанесения покрытия. В печи непрерывного действия покрытие высыхает, а разные этапы на стадии термической обработки осуществляют полимеризацию засохшего неорганического слоя. Аналогичное оборудование используют для запуска химической реакции с помощью органического вещества, чтобы получить гидрофобные и антиадгезивные свойства».1

Главная задача покрытия – уменьшить поверхностное натяжение между пастой и материалом трафарета. При уменьшении поверхностного натяжения поверхность становится нелипкой, что приводит к лучшему извлечению и меньшему оседанию пасты в апертуре, а это способствует более точному нанесению пасты при последующих печатных циклах.

В ходе исследований мы использовали трафарет с нанопокрытием производства немецкой компании «LaserJob», аналогичный трафарету, вырезанному лазером.

Характеристики трафарета

Дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь

Допуск по толщине: +/- 3 или 4 %. Твердость: не менее 370 твердости по Виккерсу. Отсутствие кривизны: не более 1,5 мм по краю, 0,50 мм в центре. Зернистость: 10–25 микрон.

Трафарет вырезан лазером оптико-диодного типа.

Устройство с подвижным порталом

Разрешение: 10 нанометров.

Цикличность: 0,5 микрон.

Эксплуатация и подключение: автоматическая фокусировка.

Лазер: 150 В, оптико-волоконный лазер с воздушным охлаждением.

Постоянный угол наклона луча.

Резка потоком сжатого воздуха.

Лазерная система 1 класса безопасности.

Испытания проводились в цехе экспериментального производства завода компании «AIM», расположенного в Монреале.

Перечень использованного оборудования: DEK 265 GS, Quad QSP IV, Heller 1500, Koh Young SPI – KY3020T.

Исследование в лаборатории:

Температура: 22–23 °C.

Относительная влажность: 24–26 %.

Ракель: 12 дюймов.

Давление ракеля: 0,8 фунтов.

Скорость: 1 дюйм/с.

Использованные материалы:

Безотмывочная паяльная паста SAC305 T3 – А;

Безотмывочная паяльная паста SAC305 T4 – Б;

Безотмывочная паяльная паста SAC305 T5 – В;

Безотмывочная паяльная паста SAC305 T3 – Г (улучшенный состав);

Безотмывочная паяльная паста SAC305 T3 – Д;

Трафарет для печати BGA-корпуса;

Лазерный разрез – 5 мил;

Трафарет для печати QFN- и LGA-корпусов;

Лазерный разрез – 5 мил;

Гальваническое покрытие – 5 мил;

Нанопокрытие – 5 мил;

Лазерный срез с нанопокрытием 5 мил;

Лазерный срез с особым покрытием 5 мил;

Стандартные трафареты лазерной вырезки.

КРУГЛАЯ АПЕРТУРА ДЛЯ BGA-КОРПУСА, ШАГ 20 МИЛ/КОНТАКТНАЯ ПЛОЩАДКА 10 МИЛ

Ширина (x): 0,254000 мм

Длина (y): 0,254000 мм

Площадь: 0,0354838 мм

Метод проведения испытаний

Метод испытания разработан таким образом, чтобы смоделировать от низкого до среднего объема производственный процесс с регулярными по интервалу паузами между печатными циклами. Сразу же по завершении печати испытательной платы измерены объем и высота.

Платы 1–5: напечатаны и измерены, процесс остановлен на 30 минут. Платы 6–10: напечатаны и измерены, процесс остановлен на 60 минут. Платы 11–15: напечатаны и измерены, процесс остановлен на 90 минут. Платы 16–20: напечатаны и измерены.

ТИП 3

ТИП 4

ТИП 5

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ПАЯЛЬНОЙ ПАСТЫ

Результаты наблюдений

Результаты показывают, что ни размеры частиц порошка, ни тип трафарета не оказывают значительного влияния на объем пасты на выходе из апертуры.2 Слой пасты может иметь различный внешний вид в зависимости от типа пасты, при этом измерения говорят о сохранении ее объема в целом.

Это – удивительное наблюдение, поскольку считалось, что только никелевые трафареты, полученные гальваническим нанесением металла, и паяльная паста, изготовленная из порошка с частицами 4-го типа, способны обеспечить характеристики, необходимые для хорошего извлечения пасты. Чтобы расширить данные, мы добавили переменную для определения влияния химического состава пасты на слой при нанесении. В целях исследования и дальнейшего сравнения мы использовали опытный материал паяльной пасты и получили следующие результаты.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТРАФАРЕТА И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

Как следует из полученных данных, химические/реологические свойства пасты оказывают гораздо большее влияние на свойства, необходимые для извлечения пасты, чем трафарет и размер частиц пасты в совокупности.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ТРАФАРЕТОМ

Результаты наблюдений

Влияние нанопокрытия на свойства, обеспечивающие легкое извлечение паяльной пасты из апертур трафарета, – это единственная самая значимая переменная, которая способна улучшить качество и стабильность при излечении пасты.

Испытания проводились с добавлением растворителя, совместимого с составом используемой пасты, чтобы оценить влияние на свойства, обеспечивающие легкое извлечение пасты из апертур.

ОЧИСТКА ТРАФАРЕТА. ВЛАЖНАЯ ОЧИСТКА ПРОТИВ СУХОЙ

Результаты наблюдений

Введение растворителя при очистке нижней части трафарета принтера едва ли оказывает положительное влияние на извлечение пасты из апертуры трафарета.

Заключение
Самое значимое влияние на качество удаления пасты из мелких ячеек апертуры трафарета оказывают нижеперечисленные факторы в порядке оказываемого ими влияния:

· Тип трафарета (с нанопокрытием);

· Химический состав пасты/свойства трафаретного очистителя (растворителя, совместимого с составом паяльной пасты).

Технология нанесения на трафарет нанопокрытия имеет огромное влияние на свойства, отвечающие за извлечение пасты. Это – достаточно новый процесс с применением конкурирующих технологий, которые находятся на стадии изучения.

С появлением нанопокрытия производители паяльной пасты стараются постоянно улучшать реологические свойства и состав пасты. До сих пор бессвинцовые паяльные пасты считаются относительной новинкой по сравнению с их свинцовыми предшественниками, однако по мере развития технологий продолжает улучшаться и качество бессвинцовых паст.

Использование растворителя в процессе очистки трафарета принтера является достаточно дешевым способом улучшить качество очистки с небольшим количеством побочных эффектов при условии совместимости составов растворителя и паяльной пасты.

На основе этих наблюдений можно сделать вывод о том, что конструктивные особенности трафарета и используемые материалы имеют гораздо большее влияние на извлечение пасты, чем размеры частиц порошка самой пасты.

1 Трафарет компании «LaserJob», Германия.

2 Трафарет без покрытия.

Благодарность
Компания «AIM» выражает благодарность компании «Stentech» за участие в описанном исследовании.