Невидимый разрыв: почему ваш клей не держит перед духовкой

Дефект почти всегда виден, если знать, когда смотреть, но большинство инженеров-процессов смотрят не в то время. Вы проходите линию, проверяете принтер и видите четкое, квадратное отложение на лепестках. Определение четкое. Объем правильный. Машина SPI (Инспекция пасты паяльной) дает зеленый свет. Но через двадцать минут, после того как та же плата прошла по конвейеру и вышла из печи повторного нагрева, вы смотрите на перемычку QFN или значительную порожденную полость под силовым FET.

Первоначальный инстинкт — обвинить профиль повторного нагрева или конструкцию трафаретного отверстия, но преступление произошло не в печи. Оно произошло за десять минут, пока плата ждала на конвейере.

Это мы называем «холодным провисанием», тихим убийцей первого прохода (FPY). Технически, жидкая припойная паста начинает расслабляться и растекаться под собственным весом еще до того, как нагреется. В безупречной лабораторной среде этот эффект минимален. Но в реальной фабрике — где влажность колеблется, а кондиционер борется с жаром печей повторного нагрева — холодное провисание превращает острые кирпичные отложения в аморфные комки, касающиеся соседей. К моменту входа платы в зону предварительного нагрева, перемычка уже образована. Ни одна настройка профиля не разделит два уже слившихся лепестка. Тепло не является проблемой. Явления физики пасты при комнатной температуре и есть причина.

Физика Коллапса

Чтобы понять, почему паста выходит из строя без воздействия, посмотрите на материал. Припойная паста — не простая клей. Она — плотная суспензия металлических сфер (порошка), плавающих в химическом носителе (флюсе). Магия печати заключается в тиоксотропии. Когда скребок проталкивает пасту через трафарет, сдвиговая сила снижает вязкость пасты, позволяя ей течь как жидкость в отверстия. Момент прохождения скребка и подъема трафарета — сила сдвига прекращается. В идеале, паста должна мгновенно вернуть высокую вязкость и «заморозить» в этом идеальном кирпиче.

Но восстановление никогда не происходит мгновенно и не является постоянным. Носитель флюса постоянно борется с гравитацией и поверхностным натяжением. Если вязкость не восстанавливается достаточно быстро, тяжелые металлические частицы — помните, это в основном олово и серебро — тянут флюс наружу. Это и есть провисание: медленный коллапс. На QFP с межшаровым шагом 0,5 мм или плотной тепловой площадке QFN, у вас есть всего несколько тысячных дюймов зазора. Если паста провисает всего на 10%, зазор исчезает.

Инженеры часто пытаются бороться с этим, перенастраивая трафарет. Они запрашивают отверстия «домашней пластины» или «перевернутой домашней пластины», чтобы уменьшить объем пасты, надеясь, что меньше пасты означает меньшее распространение. Но это — инженерная временная мера для физической проблемы. Уменьшение объема дает меньше припоя для формирования соединения, что потенциально приводит к недоливу или слабым механическим связям, и не решает корень проблемы. Если реология пасты нарушена, меньший объем все равно провисает; это просто занимает чуть больше времени.

Угроза гигроскопичности

Основным фактором нарушения вязкости обычно не является сама формуляция пасты — современные пасты SAC305 Тип 4 химически стойки. Это — невидимый ингредиент: вода. Химический состав флюса по натуре гигроскопичен. Он поглощает влагу из воздуха как губка. Когда вы оставляете открытую банку или кусок пасты на трафарете, она активно вытягивает молекулы воды из воздуха на фабрике.

Поглощенная вода разрушает тонкий химический баланс флюса. Она действует как разбавитель, значительно снижая вязкость и разрушая сопротивление провисанию. Вы можете этого не заметить невооруженным глазом, но реометр покажет, что предел сдвигового напряжения резко падает. Если на цехе влажность составляет 70% относительной влажности (RH), потому что идет дождливый вторник, и управляющий производством пытается сэкономить на кондиционировании, ваша паста разлагается экспоненциально быстрее, чем утверждает техническая документация.

Последствия выходят за рамки просто перемычек. Эта вода не просто там лежит; она закипает. Когда плата попадает в печь повторного нагрева, внутри пасты захваченная вода мгновенно превращается в пар. Эта микровзрыв разрушает порошок припоя. Если вы боретесь с прерывающимися «окаймленными частицами припоя» или «каплями посередине чипа» — те мелкие металлические сферы, застрявшие сбоку конденсатора — перестаньте смотреть на скорость разгона профиля повторного нагрева. Вы, вероятно, кипятите воду. Пар создает поры внутри соединения и выбрасывает шарики припоя наружу. Вы боретесь с влажностью, маскирующейся под тепловую проблему.

Неполадки в холодной цепи

Самая грубая ошибка обращения происходит раньше, чем паста даже попадает на принтер. Это происходит при переходе от хранения к линии. Паяльная паста скоропортящаяся. Ее хранят при 4°C, чтобы остановить химическую реакцию между флюсом и порошком. Если эта реакция продолжается, флюс расходуется, пока паста находится в банке. Но холодное хранение создает ловушку.

Рассмотрим временную линию «плохой партии». Журналы показывают, что пасту вынули из холодильника в 7:00 утра перед началом смены. Д defect — обильное мостиковое соединение и пустоты — начинают появляться в 9:00 утра. Оператор утверждает, что он следовал инструкции. Но если внимательно посмотреть журнал «выкладки пасты», можно обнаружить, что банка была открыта немедленно. Когда вы открываете банку при 4°C в комнате при 25°C с влажностью 60%, на прохладной поверхности пасты мгновенно образуется конденсат. Представьте холодное пиво на открытом воздухе — это та же физика. Этот конденсат — чистая вода, и вы только что напрямую вмешали ее в вашу химическую реакцию.

Самое зачастую виновное оборудование хранения. Обычно можно увидеть завод, работающий на линиях SMT стоимостью миллионы долларов, полагаясь на мини-холодильник в комнате для студентов за $90, чтобы хранить оборудование на сумму пятидесятилетних долларов. Эти бытовые приборы имеют ужасную термическую гистерезису. Они цикличны, иногда замораживая пасту (что навсегда портит суспензию флюса), а иногда позволяя ей подняться до 15°C. Если паста замерзнет, флюс разделится. Никакое перемешивание не исправит это. Если вы заметили отделение или «корку» на новой банке, проверьте холодильник, а не поставщика.

Распространённый миф говорит, что вы можете «ускоренно загнать» пасту, поставив ее на нагреватель или энергично перемешивая. Это неправда. Единственный безопасный способ подогреть пасту — вынуть ее из холодильника и оставить, запечатанную, при комнатной температуре не менее чем на четыре-восемь часов. Если вы не планировали заранее и вам нужно пасту сейчас, то у вас нет удачи. Раннее вскрытие гарантирует попадание влаги.

Соскребание с дна

Конечный враг урожайности — чрезмерная экономия. Паяльная паста дорогая, часто стоит сотни долларов за килограмм. Это побуждает менеджеров и операторов обращаться с ней как с жидким золотом, стараясь сохранить каждый грамм. Вы можете видеть операторов, соскребающих засохшую, корку на дальних краях передвижения ракеля и возвращающих ее в банку или перемешивающих с новой пастой.

Эта «экономия scraper’а» по математике губительна. Эта использованная паста была подвергнута воздействию воздуха в течение нескольких часов. Ее флюс истощен, вязкость снижена. Она впитала влагу и окисление. Перемешивая ее обратно, вы загрязняете свежий материал. Рассчитайте соотношение: 50 граммов потраченной пасты стоит, возможно, три доллара. Одна переработанная плата BGA стоит пятьдесят долларов в час работы техника, плюс риск списания всей платой PCB. Если вы экономите три доллара, рискуя пятьюдесятью, вы не экономите деньги.

Аналогично, постоянно возникает давление на продление срока годности. «Она истекла на прошлой неделе, можно ли ее еще использовать?» Ответ всегда должен быть «нет». Химическое разложение флюса — это не предположение; это реальность. Риск возникновения пустот и открытых соединений увеличивается каждый день после истечения срока. Если вы задаете этот вопрос, проблема — в управлении запасами, а не в сроке годности.

Дисциплина — это решение

Решением холодного провала и «таинственных» дефектов редко является новая, дорогая сплав или нанопокрытая трафаретная сетка. Это скучная, строгая дисциплина. Это покупка термометра и гидрометра $20 и размещение их прямо возле принтера. Это соблюдение строгого «Не открывать» времени для пасты, вынутой из холодного хранения. Это предоставление операторам полномочий выбросить пасту, которая находилась на трафарете слишком долго, вместо того чтобы пытаться ее спасти.

Контроль процесса превосходит материалы. Можно использовать самую дорогую, устойчивую к провалам пасту типа 5 в мире, но если обращаться с ней как с хламом — позволить ей мокнуть, замораживать или оставлять на 24 часа — она выйдет из строя. Напротив, строгая линия может работать с стандартным SAC305 в контролируемой среде и достигать почти нулевых показателей дефектов. Обычно паста работает. Убедитесь, что окружающая среда этому способствует.