Технологии производства печатных плат и поверхностного монтажа
Мы сертифицированы ИСО 9001
Тел. +7 (495) 964 47 48
Факс +7 (495) 964 47 39

Подготовка элементов печатных плат

Задача подготовки элементов при сборочно-монтажных работах сводится к организации контакта выводов ЭРЭ с паяемыми элементами печатных плат (ламелями поверхностного монтажа и\или монтажными отверстиями), а также обеспечением паяемости (смачиваемости расплавленным припоем) их поверхностей.

Конструктивные аспекты обеспечения бездефектных паяных соединений достаточно подробно рассмотрены в предыдущем разделе и повторять их здесь не целесообразно.

Остановлюсь на особенностях формовки выводов компонентов.

Формовка выводов.

Формовка выводов должна обеспечивать плотное прижатие выводов компонентов поверхностного монтажа к ламелям печатной платы (см. рис 8).

Формовка компонента поверхностного монтажа
Рис.8 Формовка компонента поверхностного монтажа, обеспечивающая плотное прижатие выводов к ламелям печатной платы
Штамп, обеспечивающий формовку и обрезку выводов
Рис.9. Штамп, обеспечивающий
формовку и обрезку выводов
в соответствии с посадочным местом
микросхемы на печатной плате

Эта формовка специфицируется ГОСТ 29137-91, рассчитана на ручной монтаж и подразумевает необходимость воздействия вертикального усилия в процессе пайки выводов. При формовке необходимо соблюсти два основных условия:

а) плотный зажим вывода в месте выхода его из корпуса, обеспечивающий сохранение герметизации (отсутствие вытягивающих разгерметизирующих усилий может контролироваться установкой тензодатчиков);

б) изгиб выводов по радиусам, обеспечивающим отсутствие растрескивание покрытий (Rmin≥ толщине вывода). Отсутствие растрескиваний контролируется визуально под микроскопом;

в) обрезку выводов в размер посадочного места (отсутствие заусенцев при обрезке обеспечивается минимальным зазором ≤ 0,1 толщины вывода).

Такие компоненты требуют наличия аттестованного формовочного штампа для каждого типоразмера ЭРЭ (рис.9)

Конечно содержание большого парка штампов неудобно и накладно для производства.

В настоящее время большое количество ЭРЭ поставляются с формованными и покрытыми паяемым покрытием выводами. Это, так называемые, «изделия для поверхностного монтажа РЭА» и специфицируются они по ГОСТ 50044-2009.

Следует иметь ввиду, что компоненты с отформованными выводами для сохранения их шага и конфигурации необходимо транспортировать и хранить в специальной таре, что влечет за собой дополнительные производственные издержки.

Вот почему некоторые производители микросхем (по-видимому по согласованию с разработчиками) поставляют микросхемы не отформованными, а часто с выводами объединенными шиной по одной стороне.

Такие микросхемы можно поставлять «в навал» и проще хранить до применения. Импортные микросхемы исполнения «mil» в металло-керамических корпусах также поставляются не отформованными.

Это привело к широкому распространению универсальных формовочных приспособлений, позволяющих реализовать практически любую формовку выводов микросхем типа «крыло чайки» (рис. 10).

Примером такого универсального формовочного приспособления может служить установка формовки и обрезки выводов FP-5 2MAS (рис. 11).

Установка FP-2MAS предназначена для формовки и обрезки выводов компонента перед монтажом на плату. Установка позволяет настраивать такие параметры как расстояние от корпуса до изгиба, высота установки компонента и общая длина компонента с выводами. Наличие цифровых микрометров упрощает процедуру установки значений параметров.

Перед началом процесса формовки все выводы зажимаются, тем самым исключается возможность их повреждения и повреждения корпуса компонента. Подробные технические характеристики установки.

Формовка выводов компонентов, монтируемых в отверстия, должна обеспечивать их установку в отверстия по КД (на заданную высоту) и не выпадение ЭРЭ из отверстий при пайке волной. Для этого формуются упорные «зиги» и «зиг-замки», сертифицируемые по ГОСТ 29137-91 (рис. 12).

Микросхема с выводами типа «крыло чайки»
Рис. 10. Микросхема с выводами типа «крыло чайки».
Микросхема с выводами типа «крыло чайки»
Рис. 11. Установка формовки и обрезки выводов FP-5 2MAS
Микросхема с выводами типа «крыло чайки»
Рис.12. Формовка выводов ЭРЭ ,
монтируемых в отверстия,
а) - с опорным «зигом» и б) - «зиг-замком».

Паяемые покрытия выводов компонентов.

Для обеспечения качественных паяных соединений при выполнении сборочно-монтажных работ очень важно знать, какое покрытие нанесено на выводы компонента. В настоящее время большинство выводов имеют покрытие 100% олово или ПОС 61 (оловянно-свинцовая эвтектика). Для сохранения паяемости выводов таких компонентов рекомендуется хранить их в шкафах сухого хранения.

Для объективной оценки паяемости служат специальные приборы обеспечивающие замер усилия втягивания выводов в ванну расплавленного припоя( чем лучше смачиваемость – паяемость, тем больше усилие втягивания. Допускается при потере паяемости (как правило это происходит при нарушении правил хранения и сильном окислении выводов) перелуживать выводы.

До сих пор некоторые отечественные поставщики микросхем покрывают выводы гальваническим золотом (3 и более мкм). Такое покрытие хорошо защищает выводы от окисления, но его необходимо смывать перед монтажем, перелуживая выводы в большом объеме расплавленного припоя, так как в противном случае со временем в паяном соединении образуются интерметаллиды золота, значительно снижающие его прочность.

Отдельного обсуждения требует по-видимому бессвинцовая проблематика и реболлинг микросхем с шариковыми выводами (BGA), она касается в первую очередь импортных комплектующих и поэтому необходимо привести номенклатуру видов паяемых покрытий принятых за рубежом (рис. 13).

Категории бессвинцовых материалов и их маркировка
Рис. 13. Категории бессвинцовых материалов и их маркировка

В 2006 году в Европе и некоторых других регионах мира была введена директива ROHS (Ограничение применения вредных веществ, среди которых, рассматриваемая тема касается в первую очередь свинеца). Эта директива породила проблему бессвинцовой технологии, которая заняла свое место в целой череде проблем и задач, с которой сталкиваются разработчики и технологи в связи с наличием смешанной комплектации (т.е. ситуации, когда в составе комплектующих в составе одного электронного модуля могут быть ЭРЭ как со свинец содержащим покрытием, так и с бессвинцовым покрытием).

Хочу подчеркнуть, что проблемы смешанной комплектации касаются в первую очередь электронных модулей спецприменения – т.е. электронных модулей к которым предъявляются повышенные требования по надежности при жестких эксплуатационных условиях в течение длительных гарантийных сроков. В частности речь идет о военной, аэрокосмической, медицинской и сложной вычислительной технике, т.е. аппаратуре, отказ которой может привести к катастрофическим последствиям. Комплектация таких модулей вообще не должна в своем составе содержать т.н. бессвинцовые компоненты, поскольку надежность бессвинцовых паяных соединений ниже традиционной пайки эвтектическим свинцово-оловянным припоем (ПОС-61 или Sn 63, Sn 62 по импортной номенклатуре).

В директиве ROHS четко определены категории изделий, на которые распространяются ограничения по применению опасных веществ. Как показывает практика, специалисты слабо знакомы с этой директивой, поэтому имеет смысл перечислить здесь те 8 категорий изделий EEE (Electrical and Electronic Equipment), на которые она распространяется (изделия, функционирующие с напряжением, не превышающим 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока):

  • крупные бытовые электроприборы;
  • малые бытовые электроприборы;
  • информационно-технологическое и телекоммуникационное оборудование;
  • потребительское оборудование;
  • осветительная аппаратура;
  • электрические и электронные инструменты;
  • игрушки, принадлежности для отдыха и спорта;
  • торговые автоматы.

Кроме того, в директивой ROHS определены следующие изделия EEE, на которые не распространяются ее требования:/p>

  • изделия военного и космического применения;
  • отдельные виды медицинского оборудования;
  • оборудование мониторинга и контроля;
  • крупное стационарное промышленное оборудование;
  • изделия, входящие в оборудование, находящееся вне рамок Директивы (например, в автомобилях, поездах, самолетах);
  • изделия, входящие в раздел Fixed Installations, т.е. комбинацию нескольких видов оборудования, смонтированных для совместной работы и не поставляемые на рынок как отдельные изделия;
  • аккумуляторы и батареи;
  • запасные части для ремонта, обслуживания и усовершенствования оборудования, поставленного на рынок до 1-го июля 2006 г.

Следует подчеркнуть, что причины появления смешанной (свинцовой и бессвинцовой) комплектации носят как субъективный, так и объективный характер

Среди этих причин можно отметить следующие

1. Проблемы при разработке спецификации: - разработчики не знают или не хотят учитывать фактор бессвинцовости.

2. Проблемы при закупке комплектующих ЭРЭ: - снабженцы не знают или не хотят учитывать фактор бессвинцовости; поставщики настойчиво предлагают или по умолчанию включают в поставку бессвинцовые компоненты.

Это субъективные причины.

Непреодолимый ценовой или организационный барьер при закупке комплектации категории MIL.

Это конечно же объективная причина.

Что же следует предпринять разработчикам и изготовителям аппаратуры специального назначения, учитывая сложившееся положение дел, для обеспечения действительно высоких требований по надежности устройств?

Ответ на этот вопрос может быть следующим:

1. Свести к минимуму бессвинцовую номенклатуру ЭРЭ, используемую в разрабатываемой аппаратуре.

2. Строго требовать от поставщиков сертификации микросхем, в том числе и по номенклатуре паяемого покрытия выводов (см. рис. 12).

3. При наличии смешанной комплектации реализовывать мероприятия по обеспечению требуемого уровня надежности.

Последний пункт следует рассмотреть особо. Надежность паяных соединений изделия зависит от сочетания применяемых при монтаже элементов покрытия и припоев. Можно выделить несколько вариантов этих сочетаний (в порядке уменьшения надежности).

Вар. 1 Пайка свинцово-оловянным припоем по такому же или полностью обратно совместимому покрытию (е4). Этот вариант является идеальным с точки зрения обеспечения надежности.

Вар. 2 Пайка свинцово-оловянными припоями по бессвинцовым покрытиям (е1, е2, е3) – допустимый и наиболее приемлемый вариант в условиях смешанной комплектации. В этом случае формируются паяные соединения с несколько увеличенным (по сравнению с эвтектикой) содержанием олова, что не приводит к существенному снижению уровня надежности паяных соединений.

Вар. 3 Пайка бессвинцовыми припоями по бессвинцовым покрытиям (е1, е2, е3). Этот вариант соответствует требованиям директивы ROHS, однако не рекомендуется для применения в аппаратуре с повышенными требованиями по надежности. Его можно рекомендовать только для изготовления бытовой аппаратуры, особенно в случае ее экспорта в страны, где действует директива ROHS.

Вар. 4 Пайка бессвинцовыми припоями по свинецсодержащим покрытиям. Этот вариант обеспечивает самую низкую надежность. В данном случае наблюдается явление так называемого отравления свинцом бессвинцовых паяных соединений, поэтому этот вариант не рекомендуется к применению.

Из перечисленных выше вариантов видно, что наиболее приемлемым решением, который можно рассматривать в качестве альтернативы самого надежного пути (вариант 1) является вариант 2.

Поэтому именно его реализацию мы и рассмотрим подробно.

В качестве основных технологических и организационных методов, которые применяются при пайке с использованием эвтектическим свинцово-оловянным припоем по бессвинцовым покрытиям , можно выделить следующие:

  • Минимальное использование бессвинцовых комплектующих.
  • Использование комплектации с покрытием выводов с полной обратной совместимостью (е4 – для микросхем и иммерсионное золото – для печатных плат).
  • Получение максимально полных и точных данных о паяемых покрытиях из сертификатов, а также использовать тестовые комплекты паяемых покрытий (Lead-check) или рентгеновские анализаторы покрытий.
  • Использование наиболее эффективных материалов (например, свинецсодержащих припойных паст с повышенной температурой активности флюса, которые позволяют паять покрытия е1, е2, е3 при повышенной температуре 240…250⁰С).
  • Перелуживание выводов компонентов. Эта процедура известна и определена во всех зарубежных и отечественных стандартах, регламентирующих требования к выводам микросхем, покрытых гальваническим золотом. Этот процесс широко использовался в 60-80-х гг прошлого века при производстве аппаратуры спецназначения. (Оппоненты могут говорить о потере гарантии на микросхему при перелуживании. Однако, кому нужна гарантия, если пайки ненадежные?).

Возвращаясь к проблеме реболлинга, следует сказать, что рассматриваемый выше вариант сочетания бессвинцового покрытия и эвтектического свинцово-оловянного припоя (вариант 2), к сожалению, не применим для монтажа микросхем в корпусах BGA с бессвинцовыми шариковыми выводами. Дело в том, что именно материал шарика определяет металлургию паяного соединения и пайку бессвинцовых шариковых выводов свинецсодержащим припоем (припойной пастой) следует отнести к варианту 4, не допустимому с точки зрения надежности.

Таким образом, для обеспечения надежности монтажа микросхем в корпусе типа BGA c бессвинцовыми шариками альтернативы реболлингу нет.