В прошлую среду в 2 часа ночи на производственной линии внезапно сработал сигнал тревоги и она остановилась. AOI постоянно сообщал о перемычках и недостаточной пайке во всех положениях резистора 0201 на 23 материнских платах. Мы сразу остановили линию, сняли платы и осмотрели их под лупой, обнаружив сильные заусенцы и локальные разрушения по краям отпечатков паяльной пасты. Тот же принтер в то утро работал нормально, что указывало на то, что проблема заключалась не в старении оборудования, а в резком изменении состояния паяльной пасты. Дальнейшая проверка выявила небольшое расслоение на дне емкости с паяльной пастой и засохшие, покрытые коркой остатки вдоль кромки ракеля, подтверждая, что паяльная паста Sn63Pb37 хранилась при комнатной температуре 28°C в течение более 72 часов, что привело к ускоренному испарению флюса. Экстренной мерой была замена паяльной пасты и тщательная очистка трафарета изопропиловым спиртом, однако в тот день уже было утилизировано 147 печатных плат.
За этой неудачей стоит чрезвычайная чувствительность паяльной пасты Sn63Pb37 к температуре, влажности и времени воздействия. В отличие от некоторых бессвинцовых паяльных паст, она не содержит растворителей с высокой температурой кипения; его флюс на основе канифоли теряет 0,3% своей активности за каждый дополнительный час воздействия температуры выше 25°C, в результате чего процент дефектов выпуска печати увеличивается на 12%. Еще более неприятно то, что когда из-за внезапного отказа кондиционера в мастерской температура поднялась до 32°C, вязкость паяльной пасты резко упала с 750 Па·с до 420 Па·с в течение 3 часов, что непосредственно привело к неравномерному нанесению припоя под ракелем и недостаточному заполнению отверстий трафарета. Если бы производство было вынуждено продолжить на этом этапе, 90% компонентов QFN имели бы шарики припоя или чрезмерные пустоты во время последующего оплавления.
Долгосрочное решение первопричин заключается не просто в смене поставщиков, а в управлении паяльной пастой Sn63Pb37 как высокоактивным химическим веществом. Должен быть предусмотрен холодильник для паяльной пасты с регулируемой температурой и влажностью (установлен на 20±1°C, относительная влажность 50±5%). После каждого открытия крышки воздух внутри банки необходимо вытеснить азотом перед повторным запечатыванием. Перед использованием всей паяльной пасты необходимо дать ей достичь равновесия при комнатной температуре в течение 45 минут после ее извлечения из холодильника; недостаточное время уравновешивания может привести к попаданию конденсата в пасту и возникновению хлопков при оплавании. Однажды из-за этого мы столкнулись с микротрещинами в паяном соединении на наборе интерфейсных плат USB, и рентгеновский контроль показал, что все трещины, распространяющиеся вдоль слоя IMC, вызваны именно воздействием испарения конденсата.
Ключом к предотвращению является создание журнала жизненного цикла паяльной пасты. На каждой банке должно быть указано время открытия, общее количество минут воздействия, количество циклов разогрева, а также дневная кривая температуры и влажности. Если совокупное воздействие одной банки превышает 280 минут или подвергается более чем трем циклам нагревания, ее необходимо утилизировать, даже если ее внешний вид нормальный. Это связано с тем, что свинец в паяльной пасте Sn63Pb37 ускоряет окисление канифоли, а продукты окисления не могут полностью разложиться при пике оплавления 217°C, оставляя зону слабого соединения на границе паяного соединения. Эта скрытая опасность не проявляется при испытаниях на старение при комнатной температуре, но проявится в виде открытых паяных соединений во время 37-го цикла термического удара -40°C.
Еще одна серьезная проблема — вторичное оплавление двусторонней платы. При пайке второй стороны паяльной пастой Sn63Pb37 уже сформированные свинцовые паяные соединения на первой стороне подвергаются рекристаллизации и огрублению IMC при повторном прохождении точки плавления 217°C. На одной автомобильной плате T-CON мы обнаружили, что прочность на сдвиг нижних паяных соединений BGA упала на 38%. Основная причина заключается в том, что при многократном нагреве паяных соединений Sn63Pb37 образуется избыточное количество интерметаллида PbSn3; эта фаза твердая и хрупкая, с коэффициентом концентрации напряжений в 2,4 раза выше, чем у паяных соединений однократного оплавления. Поэтому во всех существующих двусторонних конструкциях смешанного монтажа на второй стороне должна использоваться низкотемпературная паяльная паста с температурой плавления ниже 183°C, даже если затраты увеличиваются на 17 %, чтобы избежать усталостного разрушения паяного соединения.
Существует также проблема срока службы трафарета. Ионы свинца в паяльной пасте Sn63Pb37 оказывают медленное коррозионное воздействие на трафареты из нержавеющей стали, особенно трафареты, вырезанные лазером, с размером отверстий менее 0,25 мм. Через 48 часов непрерывного использования под микроскопом на стенках отверстий можно наблюдать коррозионные ямки размером 0,8 мкм. Эти микродефекты снижают скорость переноса паяльной пасты с 89% до 73%, что напрямую отражается в удвоенном коэффициенте смещения для паяных соединений конденсаторов 0402. Решение — не частая замена трафарета, а обязательная ультразвуковая чистка раствором лимонной кислоты pH=3,2 в течение 15 минут после каждых 20 000 отпечатков для нейтрализации остаточных ионов свинца и восстановления пассивирующей пленки стенки апертуры. В противном случае, когда ямки расширятся, даже новая паяльная паста не сможет восстановить утраченную точность.
Finally, regarding rework: when locally heating Sn63Pb37 solder joints with a hot air gun, if the airflow exceeds 28 L/min or the temperature exceeds 320°C, pad lifting is extremely likely. This is because the presence of lead makes the IMC growth rate between the solder joint and copper foil 1.6 times faster than lead-free, and the peak interfacial bonding strength occurs at 217°C with 90 seconds of dwell. За пределами этого окна медная фольга контактной площадки будет оторвана под действием термического напряжения. We once compressed the preheat time to 12 seconds to speed up repairs on an industrial control motherboard, and as a result, the pads of an entire row of SOP8 chips all lifted. Единственным выходом были пролетающие провода. Поэтому при доработке паяных соединений Sn63Pb37 необходимо строго соблюдать температуру 217°C±3°C с выдержкой 85–95 секунд; на одну секунду больше или меньше создаст скрытый риск отстранения.
