Технология и оборудование для нанесения припойной пасты (стр. 2 из 3)
Отечественные припойные пасты ПП-111, ПП-112, ПП-113 и ПП-114 предназначены для сборочно-монтажных работ, изготавливаются на основе припоя ПОС-61. Самой распространенной (доступной) является слабоактивная канифольная паста ПП-112 АУК 0.029.009 ТУ, но главный ее недостаток заключается в применении хлористого метила при отмывке ПП после пайки.
Паста ПЛ-114 предназначена для водорастворимой очистки. В технологии толстопленочной ГИС используется широкая гамма припойных паст, применение которых допустимо и в технологии поверхностного монтажа (табл. 2).
Важной операцией при изготовлении припойных паст является диспергирование расплава припоя, которое может осуществляться в струе газа и ультразвуковым методом. При распылении припоя в струе газа частицы металла обладают высокой кинетической энергией, их фильтрация для отделения из металлогазовой смеси затруднена. Выход такой смеси за пределы рабочего объема опасен и недопустим.
Более приемлемым и безопасным служит ультразвуковой метод диспергирования припоя в мелкий порошок. Для этого метода характерна компактная зона распыления и малая кинетическая энергия частиц. Ультразвуковой метод обеспечивает сферическую форму частиц и малый разброс значений диаметра. Для этих целей применяется отечественная установка ультразвукового диспергирования УД-ЮМ, с помощью которой возможно диспергирование любого низкотемпературного (170—270 °С) припоя в количестве 2—10 кг в смену с размером частиц 0,08 мм. Питание диспергатора осуществляется от ультразвукового генератора УЗПЗ-1,6.
Таблица 2. - Отечественные припойные пасты
| Марка пасты | ПП1-180 АУЭО.ОЗЗ 01 2 ТУ | ПП1-180Ср АУЭО.ОЗЗ. 012 ТУ | ПП-140 АУЭО.ОЗЗ. 013 ТУ | ПП-250 АУЭО.ОЗЗ. 021 ТУ | ПП-115 АУЭО.ОЗЗ |
| Марка исполь зуемого припоя | ПОС-61 | ПСрОСЗ-58 | ПСОВИ-139 | ПСОВиСУ-250 | ПСОВи-119 |
| Дискретность частиц припоя, мкм | 20—40 | 20-40 | 20—40 | 20—40 | 40—60 |
| Вязкость по пре- делу растекаемо- сти, мм | 13—23 | 13—23 | 13—23 | 13—23 | 13—23 |
| Температура плавления, °С | 190—230 | 190—230 | 140—155 | 260—290 | 120—130 |
| Гарантийный срок хранения, мес | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 |
| Время оплавле- ния, с | 3—5 | 3—5 | 3—5 | 3—5 | 3—5 |
В состав припойных паст вводятся органические наполнители, предназначенные для улучшения распределения порошка по объему композита, обеспечения тиксотропности и связки припоя и флюса в единую массу. Состав органических наполнителей во многих случаях является «knowhow» фирм. Они имеют сложную структуру, в основе которой лежат синтетические смолы или их комбинации, отличающиеся низкими растворяющими свойствами и невысокой температурой плавления. В состав паст входят также пластификаторы и соединения, вызывающие их тиксотропность. Эти органические наполнители обеспечивают гомогенность паст, замедляют оседание порошка и образование конгломератов.
Длительное хранение паст представляет определенные технические трудности, так как со временем происходит разделение компонентов пасты: отделение флюса, порошка припоя, наполнителей, что приводит к резкому ухудшению свойств паст. Для замедления протекания этих процессов рекомендуется хранение осуществлять при пониженных температурах (2—5 °С) или производить тщательное периодическое перемешивание пасты. Для предотвращения впитывания влаги при охлаждении пасты необходимо хранить в герметичной посуде и лучше в атмосфере аргона, что позволяет предотвратить образование на ее поверхности корки. Пасты могут храниться в таких условиях до 6 мес с сохранением вязкости в пределах+5%.
2. Методы нанесения припойной пасты
Для нанесения припойной пасты на печатную плату применяются те же методы, что и для нанесения адгезива: метод трафаретной печати и с помощью специальных дозаторов. Наиболее широко используется метод трафаретной печати (рис. 2). Его достоинства и недостатки уже рассматривались выше. Для крупносерийного производства наиболее важным достоинством, определяющим широкое применёние этого метода, является сочетание высокой производительности с хорошей повторяемостью наносимых сложных рисунков расположения контактных площадок.
Рассмотрим особенности применения метода трафаретной печати для нанесения припойных паст. Метод реализуетcя с помощью металлических или сетчатых трафаретов и металлических шаблонов. Сетчатый трафарет представляет собой жёсткую рамку, на которой натянута металлическая или неметалличесая сетка (рис. 3).
Рис. 2. Основные стадии трафаретной печати
Сетка в трафарете является несущей конструкцией для нанесения рисунка топологии контактных площадок с помощью фоточувствительной эмульсии, имеющей заданную толщину, которая совместно с сеткой определяет толщину наносимого слоя припойной пасты. Эту толщину можно рассчитать с помощью следующего выражения :
tпс=tсk + tэ,
где tnc — толщина нанесенного слоя пасты (рис. 3); tс — толщина сетки; tэ — толщина эмульсии; k — коэффициент прозрачности сетки (табл. 3).
Рис. 3. Расчетная схема толщины слоя припойной пасты, наносимой через сетчатый трафарет
Таблица 3 - Параметры сеток для трафаретов
| Материал сетки | Число ячеек на 25 мм | Диаметр провода, мкм4 | Размер окна, мкм | Прозрачность, % | Толщина пленки, мкм |
| Полиэстер Нержавеющая сталь | 45 80 | 5045 | 210 265 | 6871 | 74 110 |
Как видно из таблицы, сетки трафаретов изготавливаются из полиэстера и нержавеющей стали. Более дешёвым материалом является полиэстер. Он имеет высокую температуру плавления, хорошую химическую стойкость, стабильность размеров, высокую твердость поверхности, малую величину текучести под нагрузкой, а также низкое влагопоглощение. Однако по сравнению с нержавеющей сталью полиэстер обладает меньшей прочностью,что не позволяет применять для сеток проводники малых диаметров. Поэтому трафареты с сетками из нержавеющей стали выдерживают значительно большие значения растягивающих усилий при натяжении сетки на рамку, что обеспечивает большую точность при нанесении паст на большие рабочие поверхности. Кроме того, за счет меньшего диаметра нитей такие трафареты позволяют получать ячейки большей площади при одном и том же их количестве на единицу поверхности, что обеспечивает их большую прозрачность.
Стандартная толщина трафарета в технологии ПМ составляет 200мкм. Учитывая разнообразие паст, в некоторых случаях могут применяться и другие толщины (например, 175,130 мкм). Для компонентов с малым шагом выводов (Р≥ 0,4мм) используются трафареты толщиной 120 мкм чаще всего ступенчатой формы (рис. 4).
Рис. 4. Трафарет ступенчатой формы для компонентов с малым шагом выводов
Учитывая технологические особенности трафаретной печати и реологические свойства паст, размеры окна (ширина и длина) выбираются меньше размеров контактной площадки. Рекомендуются следующие соотношения для расчета размеров окна трафарета:
где W— размер контактной площадки (W≥ 0,4 мм, толщина трафарета 200 мкм).
Для случая W < 0,4 мм (толщина трафарета 120 мкм):
При больших размерах окон трафаретов (более 2 мм) в припойной пасте могут появляться пробелы (пустоты, углубления). Для исключения этого недостатка рекомендуется большие окна разделять на несколько малых, как это показано на рис. 5.
При этом следует использовать следующие рекомендации:
• если размер контактной площадки равен 2—3 мм, то число окон выбирается равным 2, если 3-4 мм, то 3 (рис. 3.15);
• расстояние между внешней кромкой окна и контактной площадкой выбирается в соответствии с приведенными выражениями и составляет 0,05 и 0,015 мм;
Рис. 5. Пример разделения большого окна
• толщина стенок между окнами, исходя из условий механической стабильности трафарета, выбирается от 0,2 до 0,3 мм;
• размер окон должен быть кратен 0,1 мм.
При ультрамалом шаге контактных площадок (Р < 0,4 мм) может наблюдаться такой дефект трафаретной печати, как растекание («размазывание») припойной пасты. Устранение этого дефекта достигается изготовлением трафарета с меньшими допусками на размеры окон, применением окон с расширенной нижней частью, регулярной отпечаткой нижней части трафарета.
Окна высокоточных трафаретов выполняются методами химического травления (до 0,5 мм), с помощью лазерного фрезерования (менее 0,3 мм). В последние годы для этих целей применяется метод электрохимического осаждения никеля.
Рис. 6. Конструкция ракеля для трафаретной печати ПМ-изделий (а), для ГИС (б)
В отличие от технологии ГИС при ПМ используются металлические ракели ромбовидного или прямоугольного сечения с алмазным покрытием, что обеспечивает качественное нанесение пасты на платы большой площади и большую износостойкость их рабочих поверхностей (рис.6).
Для нанесения припойных паст при мелкосерийном производстве (как и адгезива) эффективным является применение точечных дозaторов (dispensing). В настоящее время имеются две разновидности этого метода: дозирование за счет выбора давления в диспенсере и времени выдавливания («time-pressure» method) (рис. 7) и с помощью червячного экструдера («rotary-pump» method) (рис. 8).