Самый частый вопрос, который мы получаем каждый день при отладке печей оплавления на производственной линии: с одной и той же паяльной пастой пайка работает прилично на воздухе, но становится яркой, как только мы переключаемся на азот. Однако клиенты настаивают на пайке азотом — так стоит ли оно вложений? За этим вопросом стоит не просто сравнение яркости. Вместо этого нам нужно проверить, имеют ли медные площадки OSP равномерное смачивание припоем, существуют ли скрытые пустоты в нижней части корпусов QFN с шагом 0,4 мм и обнаруживаются ли на трех последовательных платах крошечные шарики припоя во время проверки AOI на медицинских платах. Эти явления можно отнести к случайным аномалиям при пайке на воздухе, но при пайке азотом они приобретают стабильные, предсказуемые характеристики процесса.
Разница в эффективности пайки азотом и воздухом в первую очередь проявляется в характеристиках смачивания и растекания. In В азотной среде активные компоненты флюса действуют более концентрировано на поверхности колодки, а не расходуются на окисление кислородом. В результате угол контакта той же паяльной пасты в азоте обычно уменьшается на 8–12°. Особенно для паяльной пасты со средними и низкими температурами с канифольными системами или системами слабых органических кислот, расстояние бокового подъема на медных контактных площадках после плавления в среднем на 0,08 мм больше, чем на воздухе. Это очень важно для предотвращения образования перемычек на паяных соединениях Micro-BGA с шагом 0,3 мм. In при пайке воздухом, задержка смачивания, вызванная локальным закупориванием оксидной пленки, легко образует серповидную шейку на краю паяного соединения, которая становится точкой зарождения микротрещин во время последующего термоциклирования.
Контроль пустот является наиболее привлекательным преимуществом пайки азотом. На том же принтере DEK + печи оплавления BTU мы протестировали определенную паяльную пасту SAC305 на компонентах BGA размером 12 × 12 мм на 6-слойной плате. В условиях воздушной пайки рентгеновский контроль показал средний уровень пустот в паяном соединении 18,7% при максимальной единичной точке 26,3%. После перехода на азотную защиту уровень пустот по всей плате снизился до 5,2%, а более 95% паяных соединений имели площади пустот менее 3%. Это улучшение не было достигнуто за счет повышения пиковой температуры. Вместо этого азот значительно подавляет удержание летучих газов, образующихся при высокотемпературном разложении флюса внутри расплавленного припоя. In В частности, активаторы, обычно используемые в паяльной пасте, такие как себациновая кислота и адипиновая кислота, изменяют свои пути пиролиза в условиях дефицита кислорода, выделяя CO? с более мягкой скоростью и облегчая побег.
Морфология поверхности паяных соединений и состояние остатков также имеют систематические различия. Паяные соединения после пайки азотом обычно имеют зеркальный блеск и четкие контуры. Это связано с тем, что в бескислородной среде направление роста зерен сплава SnAgCu более однородное, а усадка, вызванная поверхностным натяжением, более полная. Напротив, In соединения, паяные воздухом, имеют слегка матовую, сероватую дымку, а под микроскопом можно увидеть рассеянные светло-коричневые пятна окисления. С практической точки зрения морфология остатков флюса также различается. В условиях азота канифольная смола менее склонна к сшиванию и карбонизации. После очистки уровень ионного загрязнения на поверхности печатной платы (тест ROSE) снижается в среднем на 21,4 мкг NaCl/см2. Это обеспечивает существенную гарантию долгосрочной надежности изоляции имплантируемой медицинской электроники.
Конечно, пайка азотом не является универсальным решением. Когда на производственной линии используется высокоактивная паяльная паста, содержащая галогеновые активаторы, азот может усугубить ее склонность к коррозии. Во время пробного производства одной платы автомобильного радара мы столкнулись с явлением, заключающимся в том, что контактное сопротивление датчиков испытательного стенда ICT день ото дня увеличивается в среде азота. В конечном итоге было подтверждено, что остаточные ионы хлорида в паяльной пасте труднее окисляются и пассивируются в бескислородной восстановительной атмосфере. In Кроме того, для паяльной пасты, которая сильно впитала влагу, азот не может обратить вспять разбрызгивание валиков припоя, вызванное взрывом внутренней влаги во время оплавления. In В таких случаях вакуумная выпечка должна выполняться до того, как паста попадет в духовку; в противном случае, чем выше скорость потока азота, тем больше шариков припоя появится.
При выборе процесса мы не можем полагаться только на таблицы параметров; мы должны рассчитывать затраты на основе конкретных сценариев. Если вы производите потребительские модули Wi-Fi с объемом производства 300 000 штук в месяц, паяные соединения в основном состоят из компонентов 0402/0201, и клиенты принимают стандарт IPC-A-610 класса 2, то пайки воздухом вполне достаточно. Добавление азота приведет к потере 180 000 юаней в год на затраты на жидкий азот и беспричинному занятию ресурсов азотных трубопроводов. Однако, если вы производите несущие платы FPGA аэрокосмического класса с контактными площадками ENIG OSP, размерами BGA, превышающими 35×35 мм, и клиентам, которым требуется уровень пустот в паяных соединениях ≤5% с отчетами о рентгеновских исследованиях, предоставляемыми для каждой платы, то пайка азотом является не бонусом, а обязательным требованием. In В этом случае лучше заменить старую печь оплавления, чем идти на компромисс с чистотой азота ≥99,995%. Есть и промежуточный вариант: платы MCU автомобильного класса. У клиентов нет жестких требований к азоту, но мы обнаружили, что при пайке воздухом на 2–3 из каждых 1000 плат после испытаний на старение постоянно образуются соединения холодной пайки и появляются трещины. Анализ поперечного сечения выявил необнаруженные скопления микропустот в нижней части QFN. In В таких случаях рекомендуется сначала провести сравнительную проверку азота. Если уровень пустот снижается более чем на 40%, а количество отказов падает до нуля, то стоит инвестировать в небольшой генератор азота. Согласно измерениям в нашем цехе, годовые эксплуатационные расходы модуля расхода 10 л/мин всего в 1,7 раза превышают затраты на электроэнергию производственной линии воздушной пайки, а степень доработки снижается на 63%.
