Проблемы современных технологий изготовления печатных плат и безсвинцовой технологии пайки.

Проблемы современных технологий изготовления печатных плат и безсвинцовой технологии пайки.

                Современные технологии изготовления различного вида печатных плат и безсвинцовые технологии пайки - экологичны и эффективны, но они (в определенных условиях) порождают ряд явлений, приводящих к отказам.

Достаточно часто, в разговорах со специалистами по ремонту персональных компьютеров, можно услышать: «пропаял контакты микросхем, разъемов неисправной платы и она заработала, неисправность исчезла». Обычно такое «волшебство» пропайки объясняют плохим качеством паяного соединения, но действительно ли это так? Есть и более реальное объяснение. «Усы» олова — это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате, являются причиной возникновения отказов электронных схем из-за замыканий между контактами и проводниками. Общеизвестен факт, что отрицательное воздействие внешней среды непосредственно сказывается на показателях надежности печатных узлов и сборок, выполненных по современным технологиям.

При ра­боте с безсвинцовыми припоями возникает ряд проблем, которые связаны с их физическими свойствами. Поэтому паяльные станции должны быть специально адаптированы для работы с новыми припоями. Основные проблемы, которые могут возникнуть при пайке безсвинцовыми припоями:

 - более высокая температура плавления пайки мо­жет повредить электронные компоненты, содержащие пластмассу, могут получить термический «шок» и сами компоненты;

 - может возникнуть деформация печатных плат;

 - будет наблюдаться слабая увлажненность и растекание в связи с возрастающим эффектом окисления поверхности;

 - появится необходимость использования более активных (и коррозийных) флюсов;

 - возможно появление перемычек и замыканий;

 - вследствие более высокой температуры пайки будет наблюдаться сильное разбрызгивание флюса;

 - увеличится время создания качественной пай­ки (контакта);

 - вид паяного контакта будет более тусклым;

 - снизится ресурс нормальной работы паяльных головок;

 - потребуется изменить стиль работы монтажников.

Итак, возможно появление перемычек и замыканий. Перемычки и замыкания возникают в виде «усов» олова (это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате). Эти таинственные проростки и бы­вают "виноваты" в серьезнейших отказах электроники.

Олово без укрощающего его свинца ведет себя непредсказуемо. Оловянное покрытие без добавок так же, как кадмий и цинк, спонтанно образует кристал­лы металла диаметром около 1-5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые про­талкиваются от основания вверх. Если они растут до­статочно близко для того, чтобы прикоснуться к дру­гому токопроводящему объекту, то вызовут корот­кое замыкание, которое может повредить аппаратуру.

Меха­низм образования «усов» теперь стал достаточно понятным — это происходит за счет напряжения сжатия, обусловленного, скажем, диффузией меди в олово. При встраивании в слой олова медь проби­вается через барьерный слой оксида олова. Критики ссылаются на сообщения о том, что компоненты припоя, такие как олово, олово-цинк, олово-серебро-медь, просто не способны заменить свинец в припое по надежности, укрывистости (смачиваемо­сти контактных площадок) и стоимости. Поэтому военная, военно-морская, медицинская и исследовательская аппаратура освобождены от того, что считается не заслуживающим доверия. Кроме того, отдельные отрасли науки и техники еще используют олово-свинец, так как он работает лучше. Идет разговор о возмож­ности компромиссов «по стоимости, материалам, прочности припоя и пр.» во время предписанного перехода, а также то, что изготовите­ли должны приобрести «базовый опыт» использования новых тех­нологий.

Помимо образования «усов», не содержащий свинца припой к тому же более хрупок. Припои-заменители также могут быть нанесены слиш­ком тонким слоем, при недостаточной или при слишком высокой тем­пературе (заменители свинца имеют более высокие точки плавления), что создает механические напряжения в слоистой структуре печатной платы.

Какие же меры и технологии могут устранить образование «усов»? Применение матового финишного покрытия, устранение загряз­нителей из припоя и с поверхностей, снижение механических на­пряжений в паяемых компонентах — все это ослабляет рост «усов». Однако ряд специалистов в области пайки и печатных плат, за­явили, что «никакое определенное решение этой проблемы» не най­дено до сих пор. Национальный Центр по изготовлению высококачественной элек­троники, финансируемый ВМФ США, установил, что термостабили­зация паяных соединений и их хранение позволяют уменьшать обра­зование «усов», но все же специалисты этого ведомства рекомендуют «применение свинца вопреки будущей производственной практике». 

Что способствует появлению «усов»? Оказывается, что они могут расти при температуре и влажности окружающей сре­ды или в вакууме, а также при постоянных или изменяющихся тем­пературах (хотя варьирование температуры может способствовать их росту). Кончики «усов» соразмерны атому. За достаточное время они про­толкнутся через любое покрытие. Они являются преобладающей при­чиной (лишь недавно обнаруженной) многих отказов аппаратуры в прошлом. Один «усик» (рис. 1) может пропускать около 30 мА — что более чем достаточно для повреждения цифровых схем.

Рис. 1.

Припой серебро-олово-медь (SAC) замедляет, но не прекращает рост «усов». Но припой SAC оказывает на окружающую среду большее вли­яние, чем вариант олово-свинец (известный припой — 37% свинца, 63% олова — в отличие от SAC только деформируется, что снижает механические на­пряжения, а значит, сводит к минимуму образование «усов»).   

Свыше 80% от всех радиоэлектронных компонентов производится в Азии, но технические требования к ним разрабатываются в фирмах — обладателях торговой марки продукции. Ряд крупных компаний после своих дорогостоящих возвратов добились постоянного освобождения от необходимости соблюдать директи­ву RoHS для изделий, идущих на экспорт в страны ЕС. Вероятно, скоро появятся надежные технологии, свободные от свин­ца, а такие компа­нии, как IBM и National Instruments, сейчас уже имеют технологии, со­ответствующие требованиям RoHS даже для освобожденных от них изделий.