Без свинца, вызов производству, часть 1

Апрель 2023 года

Толстая многослойка — одна из труднейших печатных плат (ПП) для адаптации к процессам бессвинцовой сборки. Причина: многослойки (МПП) часто имеют сквозное отверстие и впаянные вручную компоненты, требуя два или более циклов оплавления. Чем выше температуры оплавления и медленнее смачивание бессвинцовых припоев, тем значительнее стресс на подложку и металлизированное медью цилиндр сквозного отверстия. Во многих случаях, ПП не могут надёжно спаяться, даже с новыми, термостойкими материалами FR-4.

Единственное решение этой проблемы — переразводка многослойки, используя существующие правила конструирования и новейшие, инновационные технологии производства. Микроотверстия предоставляют значительные преимущества в снижении числа слоёв и толщин многослоек при разумной стоимости — всё это улучшает электрические характеристики и плотность.

Переходные отверстия — поверхностный феномен. Для получения максимальных преимуществ от них нужно пересмотреть разводку силовых, сигнальных и слоёв заземления. Уменьшение числа сквозных отверстий помогает увеличить плотность разводки и снижает использование слоёв. Можно достигнуть высокой плотности контактов, улучшая электрические параметры, путём замены контактов в сквозные отверстия на контакты поверхностного монтажа.

Эти новые многослойки не только тоньше, дешевле и легче в разводке, но и менее затратны, благоприятствуя бессвинцовой сборке. В последующих материалах будут рассмотрено не только это, но и — несколько позволительных технологий, включая лазерное сверление микроотверстий и новые контакты поверхностного монтажа (SMT).

Введениеzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Сплавы олова-свинца (Sn/Pb) использовались многие годы для сборки ПП. Эвтектика Sn/Pb имеет точку плавления 183ºС, а температура при пайке сборки достигает обычно 230ºС. Ближайшими альтернативами Sn/Pb являются сплавы олова/серебра/меди. Эти сплавы имеют точку плавления близкую к 217ºС, при обычных пиковых температурах сборки, достигающих 255−260ºС. Это увеличение температуры сборки, в паре с возможностью многократного повторения воздействию этих температур, требует от базовых материалов улучшенной тепловой стабильности.

Несмотря на то, что имеется много важных свойств для рассмотрения, есть несколько, привлекающих внимание в свете текущих тенденций и необходимости улучшения теплопередачи. Сюда попадают температура стеклования (Tg), коэффициент теплового расширения (СТЕ) и температура разложения (Td).

Поскольку температуры, которым подвергаются ПП, увеличиваются, как в процессах бессвинцовой сборки, Td материала становится гораздо более критичным свойством для понимания. Td — мера существующей химической и физической деградации смолы. Этот тест использует термогравиметрический анализ, где измеряется масса образца относительно температуры. Td показывает, как при температуре убывает 5% массы образца до разложения. Эксперименты показывают, что Td — критичное свойство и показывает, по крайней мере, как важно, если не наиболее важно, чем температура стеклования при планировании перехода на бессвинцовую сборку. Хотя в определении Td используется значение потери веса в 5%, очень важно понимать точку, в которой происходит потеря веса на 2−3% или где начинается разложение. При изучении профилей пайки оплавлением традиционные процессы сборки Sn/Pb могут достигать пиковых температур от 210°C до 245°C, причем 230° C является очень распространенным значением. В этом диапазоне большинство материалов FR-4 не показывают значительных уровней разложения. Однако, если проследить температурный диапазон работы процесса бессвинцовой сборки, то можно увидеть, что традиционные FR-4 материалы демонстрируют 2−3% убывание веса. Несколько уровней разложения могут быть результатом многих воздействий таких температур. Эти проблемы нарастают, когда слоёв более 20-ти, увеличивая толщину платы, с наличием силовых и слоёв заземления.

Есть два первичных механизма разрушения ПП. Повреждения, в основном, из-за температурного и механического воздействия. Отказы металлизированных сквозных отверстий преобладают у ПП в процессе эксплуатации, и их прогнозирование является первоочередной задачей испытаний плат при повышенных температурах. Испытание надёжности должно имитировать тепловые колебания сквозных отверстий в плате в течение всего срока их службы. В основном, наиболее значимые тепловые колебания происходят при сборке и ремонте. Материалы ПП имеют решающее значение для надёжности сквозных отверстий. Поскольку всё большее количество плат подвержено высоким температурам бессвинцовой сборки, необходимо учитывать количество слоёв, Tg и Td.

Диапазон изменения температур стеклования охватывает от 125°C до 170°C (и немногим выше для отдельных смол). Этих тепловых диапазонов может быть недостаточно для применений с высокой температурой и суровыми условиями окружающей среды. Наиболее предпочтительны материалы для продолжительной теплостойкости в суровых условиях эксплуатации это — смолы с Tg выше 170°C и полиамидные смолы с высоким Tg (более 200°C). Эти материалы благоприятны для сквозных отверстий и сложных МПП с большим количеством слоёв. Их рассмотрение и движение к микроотверстиям предполагается в майских публикациях.

*************************

Компания «БалтМедиа Партнёр», работая индивидуально с заказчиком, помогает правильному выбору необходимого оборудования и рекомендует как эффективно выстроить производственный процесс, сопровождая его поставками расходных и базовых материалов.

При заинтересованности в сопутствующей информации производству печатных плат и сборки-монтажа электроники используется следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллинское шоссе, 206

Тел. +7 (921) 895−1422, (921) 994−9502

Электронная почта: office@bmptek.ru https://bmptek.ru

Управляющий проекта — Алексей Леонов