Причины возникновения, анализ дефекта и механизм появления.

В данной статье будет описан один из типовых и самых распространенных дефектов поверхностного монтажа.

Автор надеется, что эта статья будет полезна начинающим технологам и сможет помочь разобраться в настройках технологического оборудования. Огромное спасибо нашему партнеру, японской фирме «KOKI Co.Ltd» за проведенную работу и предоставление материалов исследования.

Воздушная подушка - это дефект паяного соединения, при котором напечатанная (нанесенная) паяльная паста и электрод (ножка) компонента или шарик на BGA компоненте не гомогенизированы (неоднородно распределены). Причин для возникновения этого дефекта довольно много, они могут встречаться как единично, так и в совокупности, приводя к более ярко выраженным последствиям. В основном к таким причинам можно отнести следующее: - обломки посторонних предметов (FOD), деформированная печатная плата или её компонент, например, некачественное или неоднородное финишное покрытие, недостаточный объем припоя (пасты) из-за дефектов в процессе печати, некорректный термопрофиль оплавления и т. д.

Данный дефект может быть обнаружен с помощью рентгеновского обследования (контроля), или электротестирования при его критичном состоянии. Что хуже всего, дефект может оказаться скрытым и выявиться только уже при функционировании изделия. К сожалению, для обычных микроскопов дефект скрыт и при визуальном контроле не может быть идентифицирован. Кроме того, данный дефект можно наблюдать в разрезе, произведя «разрушающий контроль» со среза дефектного места, где можно визуально определить причину возникновения дефекта.

Ниже мы опишем, как определить расположение дефекта «воздушная подушка», причины дефекта и механизм его происхождения.

Как определить местоположение

Поскольку паяные соединения области корпусов массивов (например, BGA) и корпусов с выводами (например, QFN/BTC) расположены под корпусом, проблема обычно не может быть обнаружена визуальным наблюдением, как говорилось ранее. Местоположение проблемы дефекта "воздушная подушка" должно быть определено с помощью рентгеновского контроля или теста с красителем.

Рентгеновский контроль - это тест контроль, который может определить положение дефекта "воздушная подушка". Дополнительное наблюдение может указать на причину дефекта соединения. Тест контроль с красителем также может определить местонахождение проблемы. Однако, поскольку это тест разрушающий, он не может быть использован постоянно и обычно применяется, когда дефект носит массовый характер.

Рентгеновский контроль (неразрушающий, щадящий контроль). На снимках ниже представлен пример выявления данного дефекта.

Тест контроль с красителем (разрушающее испытание). На снимках ниже пример выявления данного дефекта.

Причины возникновения данного дефекта.

Рассмотрим основные четыре причины возникновения дефекта "воздушная подушка".

1. Обломки посторонних предметов (FOD) на компоненте (застрявшие посторонние предметы). Посторонние предметы на компоненте препятствует слиянию печатной паяльной пасты с шариком BGA или электродом (ножкой) компонента.

Как показывает практика, данный дефект может быть вызван также «низкой культурой производства» и несоответствием производственных помещений для произведения сборочно-монтажных работ радиоэлектронного производства. Также стоит отметить «не кондиционную» элементную базу и контрафакт. К сожалению, в России эти причины актуальны и в настоящее время.

2. Недостаточный объем припоя из-за дефекта печати (нанесения паяльной пасты). Не соответствующие условия печати (подбор ракеля, скорость нанесения, давление ракеля, скорость освобождения трафарета и т. д.). Общими словами это можно отнести к настройкам технологического оборудования и адаптации паяльных материалов на производстве. Засорение апертуры трафарета (недостаточная очистка апертур трафарета). Также данный дефект может быть связан с использованием некачественных паяльных паст или паст, которые вышли из годности. Изношенный трафарет (снижение натяжения, повреждение трафарета и т. д.). Здесь в первую очередь надо обратить внимание на соблюдение технологических процессов и квалификацию рабочего персонала.
3. Ошибка контакта/псевдоконтакт (неплотный) из-за деформации компонента и(или) печатной платы. Когда печатная плата тонкая, она значительно деформируется во время оплавления и это может сказываться на появлении дефектов, в том числе "воздушная подушка". Когда профиль оплавления «слишком тяжелый» (высокая температура, длительная продолжительность и т. д.), печатная плата и компонент могут значительно деформироваться. Конечно, повлиять на толщину печатной платы технологам с монтажного производства невозможно, это лучше всего согласовывать заранее, проведя контрольную сборку. А вот настройка термопрофиля - это уже ближе и знакомо. При серийном выпуске изделий обязательно проводите контрольную сборку и настройку параметров печи. Не надо придерживаться аргументов, «сто раз так делал», это может не сработать.
4. Проблема смачивания припоя из-за неподходящего профиля оплавления (высокотемпературный предварительный нагрев, слишком большая продолжительность предварительного нагрева, высокая пиковая температура). Параметры термопрофиля и соответственно режимы нагрева могут вызвать чрезмерную деформацию печатной платы и компонента. Неправильные условия оплавления (высокий градиент набора температуры), длительное время «преднагрева» также могут ухудшить состояние самого флюса входящего в состав паяльной пасты и окислить шарики металла паяльной пасты и поверхность шариков — компонента(тов) BGA. Здесь стоит обратить внимание на выбор качественных паст с «широким» технологическим окном и режимы настройки термопрофиля. Мы рассмотрели основные причины возникновения дефекта, приведем их на блок-схеме.

 Рассмотрим механизмы возникновения дефекта «воздушная подушка» при установке компонента BGA и распишем их подробнее.

1. Нанесение паяльной пасты и установка компонента. Паяльная паста и шарик BGA компонента не могут соприкасаться, если между напечатанной паяльной пастой и шариком BGA был посторонний предмет. Когда объем напечатанной паяльной пасты слишком мал, паяльная паста и шарик BGA не могут соприкоснуться. В итоге при оплавлении это становится дефектом паяного соединения из-за отсутствия хорошего контакта нанесенной пасты с шариком BGA компонента.
2. Предварительный нагрев до точки плавления металла паяльной пасты. Жесткие условия предварительного нагрева (высокая температура, длительная продолжительность) могут привести к чрезмерному деформированию корпуса микросхемы вследствие чего шарик BGA и паяльная паста разделены. Кроме того, это может ускорить разрушение флюса в паяльной пасте.
3. Высокий пик оплавления. Когда металл паяльной пасты расплавится, то шарик BGA компонента вплавится и корпус BGA подтянется к печатной плате. Если флюс, входящий в состав пасты, уже разрушен (потерял свои свойства), то оксидный слой на поверхности шара BGA компонента не может быть эффективно удален и не удержит шар BGA компонента на контактной площадке печатной платы и будет отслаиваться с расплавленным припоем.
4. После охлаждения и затвердевания припоя Шарик BGA компонента и припой на контактной площадке затвердевают «без контакта» или с недостаточным контактом, появляется и соответственно дефект паянного соединения "воздушной подушки".

В завершении данной статьи можно лишь отметить, что меры противодействия дефекту могут различаться в зависимости от природы причин его возникновения.

С Уважением,
Руководитель направления Радиоэлектроника

Карпов Д.В.

Наши технические специалисты всегда готовы помочь с выбором и адаптацией паяльных материалов на Вашем производстве.

Компания ООО «Группа МЕТТАТРОН» предлагает купить оптом высококачественные Паяльные пасты KOKI, для пайки без дефектов поверхностного монтажа.

У нас вы найдете широкий выбор паяльных материалов. Более подробно ознакомиться с продукцией Вы можете на нашем сайте в разделе Паяльные материалы

 Для получения подробной информации и при возникновении вопросов звоните по телефону 8 (495) 925-51-27. Менеджеры компании помогут с выбором и, при необходимости, предоставят дополнительную информацию.