Bila de aliaj la mijlocul cipului

29 MAI 2017

În Standardul IPC-A-610F RO Acceptabilitatea Ansamblurilor Electronice în capitolul 5. Lipirea, paragraful 5.2.7.1 se abordează problema Anomalii ale lipiturilor – Aliaj în exces – Bile de aliaj. Bilele de aliaj sunt sfere de aliaj de lipit care rămân după procesul de contactare pe suportul structurii de interconectare.

Din punct de vedere al acceptabilităţii, Obiectivul pentru toate cele trei clase este lipsa prezenţei bilelor de aliaj pe ansamblul cu circuit imprimat. Anomalia Bilă de aliaj la mijlocul cipului (mid-chip solder ball) este specifică tehnologiei cu montare pe suprafaţă şi constă în formarea unei bile singulare de aliaj de lipit care se poziţionează în apropierea unei componente sau a padului componentei, în general în zona mediană a ei – de unde şi denumirea mid-chip. Cu precădere, se întâlneşte la componentele cu două terminale, în special la rezistoare, dar şi condensatoare. Din cauza forţei de apăsare exercitate de penseta echipamentului de plasare a componentei şi a propriei greutăţi pe depozitele de pastă, mai ales când acestea sunt în exces, o parte din pastă se îndepărtează de restul masei şi poate ajunge în zone ne-umectabile, de obicei acoperite de masca de lipire (solder mask); apoi, în cursul procesului termic când se ajunge la temperatura de topire, se separă o picătură de aliaj care, prin solidificare, formează o sferă ce rămâne fixată în reziduurile de flux din apropierea componentei. Incidenţa acestui defect este mai mare la rezistoarele SMD deoarece acestea au numai 3 suprafeţe metalizate care contribuie la crearea forţelor de adeziune necesare umectării (figura 1), spre deosebire de con­den­satoarele cerami­ce, care au 5 su­pra­feţe (figura 2, [1]).

Figura 1: Bile de aliaj formate la mijlocul rezistoarelor

Această anomalie a fost observată că apărea cu o frecvenţă mai mare la aliajele fără plumb din cauza tensiunii superficiale mai mari a acestora faţă de aliajul SnPb. Anomalia este foarte evidentă şi poate fi depistată printr-o simplă inspecţie optică. Standardul IPC menţionat specifică faptul că este Acceptabil pentru toate clasele de produse ansamblul care prezintă bilele de aliaj “prinse, încapsulate sau ataşate (de ex., în reziduuri “no-clean”, în acoperirile de protecţie la mediu, lipite la o suprafaţă metalică, înglobate în masca de protecţie la lipire sau sub o componentă” şi dacă ele “nu afectează distanţa minimă de izolare electrică”. Constituie Defect pentru toate clasele opusul condiţiilor de acceptabilitate, deoarece desprinderea bilelor conductoare poate provoca scurtcircuitări între terminalele unor componente.
Aşa cum s-a arătat într-un alt articol din Electronica Azi – SMT [2], anomalia bilă de aliaj la mijlocul cipului îşi poate avea origi­nea în proiectare, materiale şi în procesul tehnologic. Având în minte noţiunile pastă în exces şi suprafeţe ne-umectabile putem pune în evidenţă următoarele cauze:

Figura 2: Bile de aliaj la asamblarea condensatoarelor ceramice

• proiectarea neadecvată a cablajului cu paduri mai mari decât necesar;
• proiectarea şablonului cu aperturi prea mari;
• realizarea şablonului cu o grosime prea mare;
• paduri oxidate;
• terminale oxidate;
• printarea incorectă a pastei de contactare (presiune prea mică a racletei pe şablon, spaţiere între şablon şi placa de cablaj imprimat favorizând scurgerea pastei pe sub şablon, dezaliniere între paduri şi aperturi);
• pastă de lipire utilizată după termenul de garanţie (shelf life), mai ales în cazul pastelor mai fine (tip 6);
• plasarea automată sau manuală a componentelor pe depozitele de pastă cu o forţă de apăsare prea mare;
• utilizarea unui profil termic cu rampă prea mică (sub 1.5°C/sec) favorizând prin capilaritate deplasarea pastei neretopite încă de pe pad sub componentă unde, prin retopire, formează o bilă.

Prevenirea apariţiei acestui defect presupune măsuri luate în toate etapele de realizare a unui modul electronic: proiectare cablaj imprimat, proiectare şablon, selecţie materiale, proces tehnologic. Tehnologii îşi aduc şi ei contribuţia prin cercetări cum ar fi: care este apertura cea mai eficientă, care este profilul termic optim care defavorizează apariţia bilei de aliaj.

În proiectarea cablajului – conformarea cu standardul IPC-7351 la definirea padurilor trebuie să fie o practică obişnuită. Prevederea punţilor termice pentru padurile legate la planuri mari de cupru ajută la obţinerea unui bun transfer al căldurii către depozitele de pastă.

Figura 3: Aperturile “casă”, “casă inversă” şi “coroană”

La proiectarea şablonului – reducerea dimensiunilor aperturilor faţă de cele ale padurilor care era practicată pentru reducerea excesului de pastă la contactarea cu SnPb este încă utilizată şi la aliajele fără plumb, dar cu un procent mai mic (tipic cu 0.05mm pe toate direcţiile). Reducerea grosimii şablonului este o altă opţiune de reducere a excesului de pastă. Forma aperturilor care defavorizează apariţia bilei de aliaj este însă controversată. Investigând parametrii pentru proiectarea şabloanelor pentru diminuarea defectelor bilă de aliaj la mijlocul componentei, un studiu a evidenţiat opoziţia cu parametrii necesari diminuării apariţiei efectului Manhattan [3]. Astfel, au fost recomandate ca fiind negeneratoare de astfel de defecte aperturile numite “casă” (homeplate, figura 3) pentru componente până la tipul 0603, dar pentru 0402 şi mai mici această formă e favorizantă pentru tombstoning.
Dimpotrivă, un alt studiu [4] recomandă formele “U” şi “casă inversă” (inverted homeplate) sau “coroană” (crown).
O altă metodă de reducere a cantităţii de pastă pentru componentele miniaturale este utilizarea şabloanelor în trepte care au grosimi diferite pentru zonele cu componentele cip mici (0402, 0201) şi restul componentelor. Proiectarea cablajului imprimat ar trebui să aibă în vedere gruparea componentelor miniatură astfel încât să fie facilitată şi proiectarea şablonului în trepte. Astfel de şabloane oferă firme ca DEK, Alent sau Net Digital Service SRL din Oradea.

În privinţa alegerii materialelor, în special a pastelor de lipire, ca urmare a progreselor în chimia fluxurilor, producătorii susţin că au soluţii pentru reducerea acestui defect datorită eficienţei transferului, coalescenţei îmbunătăţite ale produselor lor, cum ar fi LOCTITE GC 10 (Henkel).

În ceea ce priveşte procesul de retopire, s-a raportat că utilizarea azotului reduce apariţia acestei anomalii [5], ca şi un profil termic cu pantă în zona de preîncălzire mai mare de 1.5 – 2.5°C/sec.

Autor: Gaudenţiu Vărzaru

 

[1]   AIM – SMT Troubleshooting. Typical SMT Problems, www.aimsolder.com/sites/default/files/documents/smt_ts.pdf
[2]   Ioan Plotog – Defecte pe liniile de asamblare, Electronica Azi SMT nr. 6, Vol.1, pg.7-8, Noiembrie/ Decembrie 2016.
[3]   Rahdjit S. Prandher, Chrys Shea – Optimizing stencil design for lead-free SMT processing, Cookson Electronics Assembly Materials Jersey City,
New Jersey, USA, Published by Surface Mount Technology Association, SMTA.
[4]    http://www.henkel-adhesives.com/com/table_images/e-newsletter_1116_Mid-Chip_Solder_Ball_Prevention_final.pdf
[5]    http://www.circuitinsight.com/pdf/understanding_effect_process_flux_chemistry_mid_chip_solder_balling_ipc.pdf

 

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *