Паяльная паста используется при производстве печатных плат для соединения компонентов поверхностного монтажа с контактными площадками на плате. Также возможно припаивать компоненты с пастой в сквозных отверстиях , печатая паяльную пасту в отверстиях и поверх них. Липкая паста временно удерживает компоненты на месте; затем плата нагревается, расплавляя пасту и образуя механическую связь, а также электрическое соединение. Паста наносится на плату методом струйной печати , трафаретной печати или шприцем ; затем компоненты устанавливаются на место с помощью машины Pick-and-Place или вручную.
Большинство дефектов при сборке печатных плат вызваны проблемами в процессе печати паяльной пасты или дефектами паяльной пасты. Существует множество различных типов возможных дефектов, например, слишком много припоя или припой расплавляется и соединяет слишком много проводов (перемычка), что приводит к короткому замыканию. Недостаточное количество пасты приводит к неполным схемам. Дефекты « голова в подушке» или неполное слияние сферы шариковой решетки (BGA) и отложения паяльной пасты — это вид отказа, частота которого возросла с момента перехода на бессвинцовую пайку. Часто пропускаемый во время проверки дефект «голова в подушке» (HIP) выглядит как головка, покоящаяся на подушке, с видимым разделением в паяном соединении на границе сферы BGA и оплавленного отложения пасты. [1] Производителю электроники необходим опыт в процессе печати, в частности, в характеристиках пасты, чтобы избежать дорогостоящей повторной работы на сборках. Физические характеристики пасты, такие как вязкость и текучесть, необходимо периодически контролировать, проводя внутренние испытания.
При изготовлении печатных плат (PCB) производители часто проверяют отложения паяльной пасты с помощью SPI (инспекция паяльной пасты). Системы SPI измеряют объем паяных площадок до нанесения компонентов и расплавления припоя. Системы SPI могут снизить частоту дефектов, связанных с припоем, до статистически незначимых величин. Встроенные системы производятся различными компаниями, такими как Delvitech (Швейцария), Sinic-Tek (Китай), Koh Young (Корея), GOEPEL electronic (Германия), CyberOptics (США), Parmi (Корея) и Test Research, Inc. (Тайвань). [2] Автономные системы производятся различными компаниями, такими как VisionMaster, Inc. (США) и Sinic-Tek (Китай).
Паяльная паста по сути представляет собой порошкообразный припой , взвешенный во флюсовой пасте. Липкость флюса удерживает компоненты на месте до тех пор, пока процесс пайки оплавлением не расплавит припой. В результате экологического законодательства большинство припоев сегодня, включая паяльные пасты, изготавливаются из сплавов без содержания свинца [ требуется ссылка ] .
Размер и форма металлических частиц в паяльной пасте определяют, насколько хорошо паста будет «печататься». Шарик припоя имеет сферическую форму; это помогает снизить поверхностное окисление и обеспечивает хорошее образование соединения с соседними частицами. Неправильные размеры частиц не используются, так как они имеют тенденцию засорять трафарет, вызывая дефекты печати. Для получения качественного паяного соединения очень важно, чтобы металлические сферы были очень правильного размера и имели низкий уровень окисления [ требуется цитата ] .
Паяльные пасты классифицируются на основе размера частиц по стандарту IPC J-STD 005. [3] В таблице ниже показан тип классификации пасты в сравнении с размером ячеек и размером частиц. [4] Некоторые поставщики используют собственные описания размера частиц, описания Henkel/Loctite приведены для сравнения. [5]
Согласно стандарту IPC J-STD-004 «Требования к паяльным флюсам», паяльные пасты подразделяются на три типа в зависимости от типа флюса:
Флюсы на основе канифоли изготавливаются из канифоли , натурального экстракта из сосны. При необходимости эти флюсы можно очистить после процесса пайки с помощью растворителя (потенциально включающего хлорфторуглероды ) или омыляющего средства для удаления флюса.
Водорастворимые флюсы состоят из органических материалов и гликолевых основ. Для этих флюсов существует широкий выбор чистящих средств.
Флюс без отмывки предназначен для того, чтобы оставлять только небольшие количества инертных остатков флюса. Пасты без отмывки экономят не только расходы на очистку, но и капитальные затраты и площадь пола. Однако для этих паст требуется очень чистая среда сборки и может потребоваться инертная среда оплавления.
При использовании паяльной пасты для сборки схем необходимо протестировать и понять различные реологические свойства паяльной пасты.
Паяльная паста обычно используется в процессе трафаретной печати принтером паяльной пасты, [6] в котором паста наносится на маску из нержавеющей стали или полиэстера для создания желаемого рисунка на печатной плате . Паста может быть нанесена пневматически , путем переноса штифтов (когда сетка штифтов окунается в паяльную пасту, а затем наносится на плату) или путем струйной печати (когда паста выбрасывается на контактные площадки через сопла, как в струйном принтере ).
Помимо формирования паяного соединения, носитель пасты/флюс должен обладать достаточной липкостью, чтобы удерживать компоненты, пока сборка проходит через различные производственные процессы, возможно, перемещаясь по заводу.
После печати следует полный процесс пайки оплавлением .
Производитель пасты предложит подходящий температурный профиль оплавления, подходящий для его индивидуальной пасты. Главное требование — плавное повышение температуры для предотвращения взрывного расширения (которое может вызвать «слипание припоя»), но при этом активировать флюс. После этого припой плавится. Время в этой области известно как время над ликвидусом . После этого времени требуется достаточно быстрый период охлаждения.
Для хорошего паяного соединения необходимо использовать правильное количество паяльной пасты. Слишком много пасты может привести к короткому замыканию; слишком мало может привести к плохому электрическому соединению или физической прочности. Хотя паяльная паста обычно содержит около 90% металла в твердом виде по весу, объем паяного соединения составляет всего около половины объема нанесенной паяльной пасты. [7] Это связано с наличием флюса и других неметаллических агентов в пасте, а также с более низкой плотностью металлических частиц, находящихся во взвешенном состоянии в пасте, по сравнению с конечным твердым сплавом.
Как и в случае со всеми флюсами, используемыми в электронике, оставшиеся остатки могут быть вредны для схемы, и существуют стандарты (например, J-std, JIS, IPC) для измерения безопасности оставшихся остатков.
В большинстве стран наиболее распространены «не требующие очистки» паяльные пасты; в Соединенных Штатах распространены водорастворимые пасты (которые имеют обязательные требования по очистке).
При транспортировке паяльную пасту необходимо охлаждать и хранить в герметичном контейнере при температуре от 0 до 10 °C. Перед использованием ее следует нагреть до комнатной температуры.
Недавно были представлены новые паяльные пасты, которые остаются стабильными при температуре 26,5 °C в течение одного года и при 40 °C в течение одного месяца. [8]
Воздействие воздуха на частицы припоя в форме сырого порошка приводит к их окислению , поэтому воздействие следует свести к минимуму.
Основная причина, по которой необходима оценка паяльной пасты, заключается в том, что 50-90% всех дефектов возникают из-за проблем с печатью. Поэтому оценка пасты имеет решающее значение.
Эта процедура довольно тщательная, но при этом минимизирует количество испытаний, необходимых для различения отличных и плохих паяльных паст. Если оцениваются несколько паяльных паст, процедуру можно использовать для исключения плохих паст из-за их плохого качества печати. Затем можно провести дополнительные испытания, такие как производительность оплавления припоя, качество паяных соединений и надежность, для финалистов паяльной пасты.
Основные опасения по поводу паяльной пасты:
Эти три проблемы способствовали появлению трех закрытых систем печати.