Tehnologia de lipire prin retopire (reflow / double reflow soldering)

Tehnologia de lipire prin retopire (reflow / double reflow soldering)

1. Sisteme si metode de realizare a procesului de lipire prin retopire

Tehnologia de lipire prin retopire (reflow / double reflow soldering) este cel mai raspandit mijloc de asamblare a componentelor cu montare pe suprafata (smd), pe una sau ambele fete ale placilor cu cablaj imprimat (pcb), care asigura conectarea terminalelor componentelor prin retopirea aliajului de lipit din componenta pastei de lipit depusa anterior pe zonele corespunzatoare de pe suprafata cablajului imprimat. Deoarece aceasta tehnologie este dedicata asamblarii componentele smd, se mai numeste tehnologie de montare pe suprafata (suface mount technology - smt). Pasta de lipire este o suspensie de pudra din aliaj de lipit intr-o masa lichida de flux cu vascozitate ridicata. In cursul procesului de retopire particulele de aliaj se topesc intre suprafetele terminalelor componentelor si a padurilor, unde ca rezultat al raciri, aliajul topit formeaza, prin solidificare, lipitura. Temperatura necesara retopirii este realizata in cuptoare specializate smt prin utilizarea unor principii fizice diferite: radiatie (irnfrarosu, ultraviolet, laser), convectie sau in condensare. Cuptorul specializat smt (smt oven / reflow oven) este organizat pe minim 3 zone in care poate fi controlata precis temperatura, pentru preincalzire, incalzire si racire.

Tehnologia de lipire prin retopire poate fi utilizata pentru asamblarea componentelor cu terminale prin gaura (pin in paste). In acest scop se depune pasta pe o suprafata care include gaura, padul corespunzator si in exteriorul padului, pe o suprafata care sa asigure volumul necesar pentru realizarea lipiturii (over print). Componenta se se planteaza prin gaurile corescunzatoare si este introdusa in cuptor unde va fi supusa procesului de lipire prin retopire. Pentru acest tip de lipire componentele trebuie sa indeplineasca restrictii privind temperatura maxima admisibila.

Linia tehnologica de lipire prin retopire este utilizata pentru lipirea cu adeziv epoxidic a componentelor smd pe partea inferioara a placilor ce urmeaza sa fie lipite la val. In acest caz se utilizeaza masina si tehnologia pentru depunerea pastei de lipire, cu dispozitive adaptate, inlocuindu-se pasta cu adeziv. Adezivul se depune intr-o geometrie specifica in spatiul dintre paduri, sub componente. Componentele sunt plantate in aceleasi conditii ca la plantarea in pasta si apoi placile avand componentele plantate in adeziv sunt trecute prin cuptorul smt unde are loc lipirea printr-un proces de polimerizare a adezivului in conditii de temperatura controlata.

In raport cu tehnologia de lipire la val, tehnologia de lipire prin retopire ofera avantaje, de exemplu:

permite asamblarea a unor componente mici si usoare, oferind astfel posibilitati de miniaturizare a

echipamntelor electronice;

permite asamblarea ambelor fete al placilor electronice automat, utilizand aceeasi tehnolgie;

permite reducerea rezistentei conexiunilor si a inductantelor parazite, controlul asupra parametrilor

electrici ai circuitelor, cu implicatii benefice privind realizarea echipamentelor electronice pentru inalta frecventa;

permite compensarea unor erori de plantare prin propietatea de alinere a componentelor relativ la

paduri datorita actiunii tensiunii superficeale a pastei de lipit in stare lichida;

reducerea numarului de gauri in placa, implicit a complexitatii operatiunilor de prelucrare mecanica;

permite obtinerea unui comportament performant in raport cu solicitarile mecano-

climatice, ceea ce, alaturi de performantele privind miniaturizarea, a extins aria de utilizare a echipamentelor electronice in domenii speciale ca de exemplu, auto, aviatie, rachete;

permite automatizarea completa a liniilor de productie.

Principalele dezavantaje sunt un rezultat direct al tenditei de miniaturizare si automatizare:

dificultatea manipularii manuale a componentelor;

dificultatea operatiunilor de lipire manuala;

dificultatea operatiunilor de reparare la nivel de circuite si componente.

2. Fazele tehnologiei de lipire prin retopire, parametrii si variabile specifice

In principiu procesul de lipire prin retopire consta in executia unor operatii structurate pe faze specifice:

- depunerea (printing) pastei de lipit (solder paste) pe suprafetele, neprotejate prin lacuri rezistente la temperatura (solder mask) a circuitelor imprimate de pe suprafetele placilor, corespunzatoare terminalelor (pad);

- plantarea precisa a componentelor cu terminalale pe paduri (pick and place/planting);

- lipirea printr-un proces de retopire (reflow / double reflow soldering - process). Prin cuptor placile plantate sunt transporate cu un sistem tip conveior.

Operatiile complexe derulate pemit considerarea fiecarei faza ca un proces complex, independent. Sunt realizate cu masini specializate (Fig. 2.1.) care pot functiona independent (OFF-Line), in cazul productiei de serie mica si prototipuri, sau interconectate intr-o linie tehnologica de lipire smt (ON-Line) automatizata specific productiei de serie medie si mare.

Solutia ON-Line de configurare a unei linii tehnologe de lipire prin retopire a componentelor cu montare pe suprafata, presupune utilizarea unui sistem de transport comun tip conveior, a carui viteza de deplasare poate fi controlata, pentru conectarea seriala a masinilor pentru depunerea pastei pe suprafata placilor (printer), plantarea componentelor (pick and place), lipirea prin retopire (cuptor smt, echipament VPS, laser), a unor sisteme de alimentare cu placi a printerului si de colectare a placilor asamblate la iesirea din echipamentul de lipire. La configurarea liniei se are in vedere numarul mare de componente pasive de mici dimensiuni(chip) in raport cu cele active. Pentru asigura productivtatea liniei se utilizeaza minim doua masini de plantare, una fiind specializata pentru plantarea componentelor chip.

Fig. 2.1. Echipamente specifice fazelor tehnologiei de lipire prin retopire

a. Depunerea pastei  b. Plantare componente c. Cuptor smt d. Masina VPS

2.1. Depunerea pastei de lipit sau a adezivului

Procesul de depunere a pastei de lipit pe linia smt este foarte important din punct de vedere al calitatii produsului final. Se considera ca aproximativ 30% din totalul defectelor inregistrate la asamblarea placilor pe linia smt provin din procesul de printare. Pentru eliminarea lor este necesar sa fie sub control parametrii si varabilele procesului. Pentru realizarea unui proces optim de depunere a pastei se prevede inspectie optica finala:

- manuala, executata de operator prin observare directa sau cu ajutorul unor instrumente optice

- automata, executata cu echipamente specializate integrate in structura liniei smt (in-line).

Depunerea pastei de lipit pe suprafata padurilor se poate face prin urmatoarele metode:

- dispensare (dispenser). Distributia pastei se face intr-un numar variabil de picaturi, functie de dimensiunea padului, prin utilizarea unui dispozitiv tip seringa, pasta avand proprietati reologice dedicate. Metoda poate fi utilizata prin montarea disozitivului in masina de plantare componente si prezinta avantajului costurilor reduse, deoarece nu necesita dipozitive auxiliare. Metoda nu pote fi utilizata pentru componente mici, deoarece volumul de pasta depus nu poate fi controlat suficint de precis si trebuie luat in considerare pretul pastei speciale, mai mre in raport cu al pastei pentru site si sabloane.

- serigrafie (screen). Metoda presupune utilizarea unei site din material textil special pe care se realizeaza prin metode fotografice mascarea cu exceptia zonelor prin care se depune pasta prin intindere cu o lama de cauciuc. Se utilizeaza o masina care sa mentina sita la o inaltime determinata in raport cu suprafata placii. Costurile de fabricatie sunt reduse, insa metoda nu permite utilizarea pe scara larga si precizia realizata este lmitata.

- cu sablon (stencil). Metoda presupune utilizarea unui sablon realizat din metal in general, dar poate fi realizat si din plastic. In sablon sunt practicate deschideri corespunzatoare padurilor componentelor. Sabloanele realizate din plastic au o rezistenta mecanica redusa i necesita masuri de evitare a incarcarii electrostatice. Pentru sabloanele din metal, pot fi utilizate tehnologiile de corodare chimica (Fig. 2.1.1.), electroformare (Fig. 2.1.2.) sau taiere laser (Fig. 2.1.3.).

Fig. 2.1.1. Corodare Fig. 2.1.2. Electroformare Fig. 2.1.3. Taiere Laser

Sabloanele realizate prin corodare prezinta in sectiune o reducere in plan median cu rezultate negative in procesul de depunere a pastei (Fig. 2.1.1; Fig. 2.1.4.). Se poate obtine o finisare superioara a peretilor prin polizare elecochimica (Fig. 2.1.). Sectinea optima pentru sabloane este trapezoidala si poate fi obtinuta prin eletroformare si taiere laser (Fig. 2.1.6.).

Fig. 2.1.4. Corodare  Fig. 2.1. Electropolisare Fig. 2.1.6. Sectiune trapezoidala

Fig. 2.1.7. Sablon in trepte Fig. 2.1.8. Geometria deschiderii Fig. 2.1.9. Depunerea pastei

Prin corodare si electroformare se pot fabrica sabloane in trepte (Fig. 2.1.7.) utile in situatia unei mari diferente de gabarit intre componente si in consecinta, cu diferente mari intre suprafetele padurilor. Aceste diferente fac dificila depunerea optima a pastei si o sita realizata in trepte poate oferi solutia optima atat pentru surafetele mari cat si pentru cele mici, in conditia unei proiectari specifice pentru placa cu circuite imprimate.

Sabloanele taiate laser sunt singurele care pot fi prelucrate ulterior pentru adaugarea sau marirea unor deschideri, permit prelucrarea pe masini la care datele pot fi transferate electronic, asigurandu-se precizie si repetabilitate. Grosimea sabloanelor este intre 100 - 200μm pentru depunerea pastei si 250 - 300μm pentru depunerea adezivului de lipire a componentelor smd pe pcb in scopul lipirii la val. Exista posibilitate de fabricatie mixta prin prelucrare laser a unor sabloane prefabricate prin corodare.

Pentru depunerea optima a pastei este importanta relatia intre geometria padului, si geometria deschiderii sablonului (Fig. 2.1.8.), datorita fortelor de tensiune superficiala care apar la suprafetele de separatie pad - sablon. Forta de tensiune superficiala a pastei din deschidere trebuie sa fie mai mare decat tensiunea superficala a pastei relativ la peretii deschiderii. La depunera pastei prin utilizarea sabloanelor metalice, putem identifica trei etape. Intr-o prima etapa pasta este transportata cu ajutorul unei lame metalice (squeegee - Fig. 2.1.) pozitionate cu un unghi determinat fix, intre 45 - 50s sau cu o caseta speciala umpluta cu pasta (pro flow). Miscarea de transport imprimata de lama sau caseta, determina formarea unui cilindru de pasta (interior in cazul casetei), ce are o miscare de rotatie in timp ce este deplasat pe suprafata sablonului (Fig. 2.1.9.). Diametrul optim pentru cilindrul de pasta este de 15 – 20mm. In cursul etapei de transport, pasta umple deschiderile sablonului, ajungand in contact cu suprafata padului. Pasta va fi complet depusa in etapa urmatoare, de separare a sablonului de suprafata placii.

Conform IPC3525, se definesc coeficientii (Fig. 2.1.8.) Raport de Aspect ( Aspect Ratio) si Raportul de Arie (Area Ratio):

Raportul de Aspect = latimea deschiderii/ grosime sablon = W / T   (

Raportul de Arie = Aria deschiderii/aria peretilor laterali ai deschiderii =

= L x W / 2 x (L+W) x T (

Pentru o depunere de calitate a paste se recomanda:

Raportul de Aspect > 1.5 si Raportul de Arie > 0.66    (2.3)

Etapa finala a procesului este curatirea suprafetei inferioare a sablonului.

Procesul de depunere a adezivului este identic cu procesul de depunere a pastei. Deosebirile le gasim in geometria diferita a deschiderilor. In general sunt deschideri relativ mari, care nu ridica probleme de depunere.

2.1.1. Parametri si variabilele procesului de depunere a pastei (adezivului)

Pentru obtinerea unei depuneri optime a pastei pe placa se definesc urmatorii parametri:

- limita pentru coborarea lamei sau casetei (Squeegee down stop), previne o deplasare suplimentara in jos ceea ce ar putea avea ca efect uzura prematura a lamei si sabonului. Poate avea ca efect si curbarea ansamblului sita - placa in timpul procesului. Este o limita mecanica reglabila astfel incat lama sau caseta doar sa atinga suprafata sablonului. Se urmareste asigurarea paralelimului intre axa lamei sau casetei si suprafata sablonului.

- presiunea pe lama (Squeegee Pressure) trebuie sa asigure razuirea sablonului si preluarea completa a pastei de pe suprafata sa. Corect reglata va asigura in spate un film fin de flux pe suprafata sablonului provenit din pasta.

Valoarea efectiva este determinata de tipul sablonului si viteza de printare. Domeniul optim de valori se situeaza intre 0.2 - 0.3 kg/cmp.

- viteza de printare (Printing speed) este dependenta de comportamentul pastei si poate fi intre 20 si 80 mm/sec.

- distanta intre suprafata inferioara a sablonului si suprafata superioara a placii (Snap off ). Pentru sablon de metal este zero. Poate fi intre 0.5 si 3.0 mm in cazul utilizarii metoi serigrafice.

- viteza de separare sablon – placa (Separation speed), se situeaza intre 0.1 si 0.5 mm si depinde de carateristicile reologice ale pastei si caracteristicile geometrice ale deschiderilor sablonului. O valoare mare are ca efect ridicarea marginilor depozitului de pasta in timp ce o valoare prea mica incetineste procesul.

- inaltimea de separare (Separation height) este distanta de la suprafata placii pana la care se ridica sablonul, in medie 3mm.

- aria efectiva de printare (Printing area), este suprafata sablonului pe care se poate asigura tranportul pasteipin micarea circulara a cilindrului de pasta. Miscarea lamei trebuie sa inceapa cu 80 – 100 mm sau cu de doua ori diametrul cilindrului de pasta, inainte de a intalni prima deschidere a sablonului.

- curatirea suprafetei inferioare a sablonului(Stencil cleaning), in general, daca toti parametri de depunere a pastei sunt corect reglati, nu ar fi necesara. In practica este prevazuta curatirea manual sau automat prin utilizarea unei hartii speciale cu precautii pentru a nu lasa scame.

2.2. Procesul de plantare componente

Plantarea componentelor se poate face manual sau automat, cu masini specializate. Tendinta generala de miniaturizare impune sisteme optice axiliare si pentru plantarea manuala. Actualele masini de plantare tind cate o viteza de plantare de 0.05 secunde/componenta in conditii de precizie a pozitiei sub 100μm. Pentru componente tip 0201, precizia de pozitionare necesara este de 35 μm. Pentru asigurarea preciziei de plantare este necesara calibrarea masinilor si o metoda de verificare a performantelor masinii. Pentru determinarea si evaluarea stabilitatii preciziei de plantare se utilizeaza testul de capabilitate a masinii (Machine Capability Test - MCT).

In cadrul testului se masoara deviatia standard si deviatia valorii medii in raport cu valuarea nominala data pentru masina prin plantarea unor componente de sticla marcate cu repere grafice pe o placa suport din sticla prevazuta cu o folie dublu adeziva. Se masoara coordonatele componentelor plantate si se calculeaza deviatiile de pozitionare. In Fig. 2.2.1. sunt reprezentate grafic rezultatele unui test MCT pentru deviatia standad σ = 8 μm si diferenta de plantare μ = 6 μm.

Fig. 2.2.1. Machine Capability Test

In practica se utilizeaza la lansarea unui produs plantarea de test a componentelor reale pe placa produsului prevazuta cu o folie dublu adeziva in scopul veificarii corectitudinii programului de plantare si a preciziei de pozitionare.

2.3. Procesul de lipire prin retopire

Procesul de lipire prin retopire se realizeaza in echipamente specializate care permit obtinerea temperaturilor de activare a fluxurilor si de topire a aliajelor din componenta pastelor conform unor profile termice bine determinate. Sunt utilizate mai multe solutii tehnice de obtinere a temperaturii inalte necesare procesului, cu radiatie infrarosie (IR), prin convectie cu aer sau gaz inert incalzit la temperatra necesara procesului sau prin utilizarea vaporizarii unui lichid cu punct de fierbere ridicat, metoda denumita retopire in faza de vapori (vapor phase reflow sau vapor phase soldering - VPS ). Metodele ce utilizeaza convectia sau radiatia prezinta dezavantajul „umbriri” relative intre componentele cu diferente mari de gabarit, fenomen care are drept consecinta diferente mari de temperaturi.

2.3.1. Tehnologia de lipire prin retopire cu utilizarea metodelor prin radiatie si/sau convectie

Procesul de lipire prin retopire cu utilizarea metodelor prin radiatie si/sau convectie are loc in cuptorul smt structurat pe zone functionale de preincalzire, activare, retopire si racire. SMEMA (Surface Mount Equipment Manufacturers Association), a stabilit trei clase de sisteme ce utilizeaza IR:

- sistem radiant dominant (Class I IR);

- combinatie intre convectie si sistem radiant dominant (Class II IR);

- sistem convectie dominant (Class III IR)

Indiferent de sistemul utilizat temperatura pe zone permite activarea fluxului si in final lipirea prin asigurarea starii lichide pentru pasta depusa intre terminalele componentelor si paduri asigurand lipirea prin solidificare la racire.

Parametri procesului de lipre pin retopire sunt reprezentati grafic in Fig. 2.3.1.1.a, b.

In zona de preancalzire (Preheat Zone), placa este incalzita cu o panta de crestere  temperaturii intre

1.0 °C si 3.0 °C pe secunda, pentru egalizarea temperaturii placii in scopul evitarii socului termic. O crestere prea accentuata a temperaturii poate provoca imprastierea pastei si distrugerea componentelor prin soc termic. O panta prea redusa de crestere a temperaturii afeteaza eliminarea prin vaporizare a solventului din pasta si reduce activarea chimica a pastei.

Zona urmatoare, de imuiere a bilelor de aliaj din pasta (Thermal Soak Zone), asigura uniformizarea tempraturii in placa si componente.Temperatura este crescuta cu o panta foarte redusa, aproape plata, aproape de punctul de topire a bilelor de aliaj din structura pastei. Solventii fluxului sunt eliminati, este activata pasta, care incepe sa elimine oxizii de pe suprafata padurilor si terminalelor. In aceasta zona placa este mentinuta intre 60 si 120 secunde. In scopul asigurarii unui control foarte precis pe aceasta sectiune a procesului se folosesc mai multe zone dedicate.

Zonele de preincalzire si de imuiere sunt specifice cuptoarelor care utilizeaza radiatia infrarosie.

Zona de retopire (Reflow Zone) asigura si mentine temperatura necesara starii lichide a aliajului din pasta. Fluxul activ chimic, reduce tensiunea superficiala la jonctiunea dintre metalele din compozitia terminalelor si a padurilor permitand lipirea. Zona se mai numeste si durata starii lichide pentru aliajul de lipit (time above reflow sau time above liquidus - TAL). Se recomanda pentru TAL intre 30 si 60 secunde. O durata mica poate genera lipituri reci si discontinuitati in structura lipiturilor (void), iar o durata prea mare poate provoca distrugerea unor componente.

Zona de racire (Cooling zone)este folosita pentru solidificarea lipiturilor. O panta accentuata de scadere a temperaturii optimizeaza structura lipiturii, blocheaza formarea stratului intermtalic in structura si asigura cresterea rezistentei lipiturii la solicitari mecanice in timp. Temperatura in zona de racire este in domeniul 30–100 °C.

Functionarea automata a cuptorului astfel incat sa asigure desfasurarea procesului de lipire prin retopire conform cerintelor pe zone cu posibilitatea de reglare a parametrilor este asigura de un calculator de proces . Acesta va urmarii realizarea temperaturilor si duratelor pe zone prin controlul incalzirii, a ventilatiei si a vitezei conveiorului conform unei reprezentari grafice numita profil termic (thermal profile sau solder profile, Fig. 2.3.1.1.a, b.).

Profilul termic depinde de pasta utilizata, atmosfera in care are loc procesul, masa termica si tehnologia de realizare a placii plantate ce urmeaza sa fie lipita. Pentru reglarea precisa a profilului termic functie de variabilele prezentate, in mod specific produsului ce urmeaza sa fie lansat in productie, se utilizeaza un dispozitiv specializat (profiler) de achizitie a temperaturilor masurate cu termocuple amplasate in diferite zone pe placa. Dispozitivul urmeaza placa pe traseul urmat in cuptor si transmite radio datele privind temperaturile masurate catre o interfata specializata conectata la un calculator in scopul afisarii si inregistrarii rezultatelor. Metoda este iterativa si functie de experienta operatorului, plecand de la un profil propus, prin cateva iteratii, in cursul carora se ridica profilul termic real al placii si se inspecteaza calitatea lipiturilor optic si radiologic cu radiatii X, se stabileste profilul termic optim pentru productia de serie.

a.

b.

Fig. 2.3.1.1. a. b. Profil termic standard

2.3.2. Tehnologia de lipire prin retopire in faza de vapori

(Vapor Phase Reflow / Vapor Phase Soldering / Condensation Soldering )

2.3.2.1. Descrierea procesului VPS

In cazul tehnologiei de lipire prin retopire in faza de vapori se utilizeaza pentru procesul de incalzire a ansamblului realizat din componentele plantate in pasta depusa pe padurile placilor cu circuite imprimate energia termica emisa la schimbarea de stare a mediului de transfer a caldurii din gas in lichid. Acest fenomen se numeste condens si din acest motiv poarta denumirea de lipire in condensare.

Procesul are loc intr-o incinta inchisa in care a fost introdus ansamblul realizat din componentele plantate in pasta depusa pe padurile placilor cu circuite imprimate (Fig. 2.3.2.1.a) si unde este incalzit pana la fierbere un lichid cu puctul de fierbere definit. In cazul aliajelor de lipit lead-free teperatura de topire fiind 217 C s pana la 221sC, se utilizeaza un lichid care are punctul de fierbere la 230sC. Pentru aliajele de lipit care au continut de plumb punctul de fierbere optim este 215sC. Vapori rezultati din fierbere formeaza un mediu de transfer al caldurii, cu o densitate variabila pe verticala. Ansamblul este introdus in mediul de transfer al caldurii si este initiat procesul de transfer al caldurii prin condensare (Fig. 2.3.2.1.b). Densitatea variabila a vaporilor permite controlul transferului de caldura prin deplasarea pe verticala a ansamblului pcb – pasta – componente si mentinerea pe paliere in scopul asigurarii unei pante determinate de crestere a temperaturii. Parametrii procesului de transfer al caldurii in proces vor fi pozitia palierului pe verticala in raport cu suprafata lichidului mentinut la temperatura de fierbere si durata de mentinere pe palier. Densitatea vaporilor depinde de cantitatea de vapori produsa prin mentinerea la temperatura de fierbere a lichidului. Procesul se bazeaza pe principiul dependentei liniare intre cantitatea de vapori generata si cantitatea de caldura introdusa in sistem. Apare astfel posibilitatea de a regla parametrii atmosferei de vapori prin controlul energiei utilizate pentru incalzirea lichidului. Condensarea mediului de transfer a caldurii pe intreaga suprafata a ansamblului pcb – pasta – componente are loc pana cand toata aceasta suprafata ajunge la temperaura de vaporizare (Fig. 3.1.c). Practic ansamblul pcb – pasta – componente va fi acoperit de un film lichid intr-o atmosfera densa de vapori saturati, cu o greutate specifica mai mare decat a aerului, care determina un mediu de lipire fara oxigen. Se realizeaza in acest mod o incalzire pana la punctul de fierbere, care nu va fi depasita, indiferent de forma, culoare si masa termica a ansamblului pcb – pasta – componente, singura conditie fiind asigurarea atmosferei de vapori prin mentinerea temperaturii lichidului la punctul de fierbere.

a b c.

FIG. 2.3.2.1.a, b, c. Fazele tehnologiei de lipire in condensare

Eficienta procesului poate fi imbunatatita prin utilizarea unei preincalziri a ansamblului pcb – pasta – componente. Structura functionala a unei masini de lipit care utilizeaza tehnologia „vapour phase” este prezentata in fig. 2.3.2.2.

Placa avand componentele plantate in pasta depusa pe paduri, este plasata manual sau automat pe grila suport. Din aceasta pozitie este preluata si introdusa intr-o incinta etansa tampon unde poate fi preancalzita. Din incinta tampon este introdusa in incinta etansa de lucru, prevazuta cu fereastra de observare. In partea inferioara este adus si mentinut la temperatura de fierbere lichidul al carui vapori vor forma mediul de trasfer al caldurii. Placa avand componentele plantate in pasta depusa pe paduri, este plasata manual sau automat pe grila suport. Din aceasta pozitie este preluata si introdusa intr-o incinta etansa tampon unde poate fi preancalzita. Din incinta tampon este introdusa in incinta etansa de lucru, prevazuta cu fereastra de observare. In partea inferioara este adus si mentinut la temperatura de fierbere lichidul al carui vapori vor forma mediul de trasfer al caldurii.

Fig. 2.3.2.2. Structura masinii VPS

Placa plantata poate fi deplasata in atmosfera de vapori creata pe diferite paliere pe verticala in raport cu suprafata lichidului. Prin controlul incalzirii lichidului, a pozitiei palierelor si a duratei de mentinere pe paliere se obtine profilul termic optim pentru realizarea procesului de lipire. Dupa lipire are loc un proces de racire care este continuat pri trecerea placii asamblate in zona tampon de unde va fi livrata in exterior. Pe durata racirii pe supafetele placi si a componentelor lipite mai exista lichid rezultat din condensara vaporilor care va fi recuperat. In fig. 3.3. sunt prezentate exemple de profile termice realizabile prin controlul incalzirii si modificarea parametrilor pozitie si durata paliere.

Fig. 2.3.2.3. Profile termice la lipirea in faza de vapori

2.3.2.2. Analiza comparativa a eficientei economice pentru procesele IR/VPS

Principalele avantaje ale tehnologiei de lipire prin retopire in faza de vapori sunt:

• Evitarea supraincalzirii componentelor in procesul de lipire, deoarece temperatura punctul

de fierbere defineste temperatura maxima de lipire. In consecinta aceasta tehnologie devine avantajoasa in cazul procesului de lipire fara plumb deoarece temperatura maxima este in acest caz de 230sC. Comparativ, in cazul cuptoarelor clasice cu radiatie si/sau convectie temperatura maxima atinge 250-260sC;

• Procesul de preincalzire si de lipire are loc intr-un mediu lipsit de oxigen datorita filmului de

lichid care imbraca complet surafetele placilor si a componentelor, fiind eliminata oxidarea la suprafata a padurilor si a aliajului de lipit in stare lichida. In consecinta transferul de caldura este imbunatatit, umectarea padurilor de catre aliaj si aspectul lipiturilor in general este mai buna. Se pot folosi fluxuri slab active sau inactive, in cantitati mici, care dau reziduuri putine si sunt usor de inlaturat. Lichidul in fierbere se impurifica putin si poate fi recirculat mult timp fara dificultati. Totusi, un grad de impurificare exista (mai ales daca se folosesc fluxurilor active), astfel ca periodic este necesara oprirea instalatiei si curatarea lichidului prin racire pentru precipitarea fluxurilor si pentru filtrare;

• Incalzire simultana, continua si uniforma a suprafetelor indiferent de forma, culoare si masa

termica a ansamblului pcb – pasta – componente. In consecinta este eliminat riscul de delaminare a placii si redus riscul de ridicare a componentelor (tombstoning) sau de aparitie fisurilor si deteriorarilor mecanice ale componentelor (popcorn cracking) determinate de umiditatea reziduala existenta in materialul plastic din care este produs corpul BGA, plasticul fiind higroscopic. In timpul procesului de lipire apar vapori de apa sub presiune in structura care vor determina delaminari ale materialului (Fig. 2.3.2.4.a, b.). Fenomenul se amplifica la depasirea temperaturii de 210sC (Fig. 2.3.2.). Incalzirea uniforma si la o temperatura coborata in raport cu temperatura maxima atinsa in cazul cuptoarelor clasice cu incalzire prin radiatie si/sau convectie consitue un avantaj pentru tehnologia VPS. Acest avantaj determina ca tehnologia de lipire prin retopire in faza de vapori sa fie adecvata pentru lipiri pe placi de cablaj cu configuratii dificile, cu piese terminale foarte fine si apropiate (l,27 – 0,63mm), BGA-uri;

a. b.

Fig. 2.3.2.4. Fenomenul “popcorn”.

• Eficienta energetica ridicata a procesului determinata de un randament foarte ridicat de

transfer al caldurii comparativ cu tehnologiile de reflow prin radiatie si/sau convectie, costurile de operare fiind reduse semificativ.

• Punerea in functie a instalatiei este foarte rapida - cateva minute (in alte procedee sunt

necesare ore pana la atingerea regimului termic de lucru);

• Nu sunt necesare camere speciale pentru instalarea unei astfel de masini. Sunt suficiente o

instalatie de apa si o retea trifazata de curent alternativ, 400V AC/50Hz.

Fig. 2.3.2. Presiunea vaporilor de apa captivi in plastic

Analiza economica comparativa privind tehnologile de lipire IR/VPS (Tab. 2.3.2.1) realizata pornind de la avantajele enuntate si luand in considerare experimenele realizate la INTRAROM pentru introducerea tehnologiei VPS pune in evidenta costurile reduse de achizitie si exploatare, dar si productivitatea redusa .

2.3.2.3 Analiza optiunilor de dotare cu echipamente VPS

Pe plan mondial masinile care utilizeaza tehnologia de lipire in stare de vapori cunosc o dezvoltare importanta (Fig. 2.3.2.6.) determinata de avantajele ce le prezinta in cazul trecerii la utilizarea aliajelor de lipit fara plumb. Printre firmele care produc acest tip de msini se numara IBL, Wenesco, Asscon.

TAB. 2.3.2.1. Analiza comparativa IR / VPS

Necesitatea cresterii productivitatii cu respectarea restrictiilor ROHS si acceptarea cerintelor de asamblare complexe determinate de utilizarea cablajelor pe suport de sticla, cupru sau aluminiu, a determinat:

- gasirea unor solutii de automatizare a procesului tehnologic VPS, ceea ce a dus la aparitia

unor echipamente complexe, pentru productii de mare volum;

- solutii de imbunatatire a tehnologiei clasice VPS prin utilizarea preincalzirii IR;

- solutii de eliminare a defectelor specifice asamblarii smd ca de exemplu utilizarea thnologiei de vidare a incintei de lucru in scopul eliminarii voidurilor.

Fig. 2.3.2.6. Exemple de masini VPS

Spre exemplu, firma IBL ofera nu mai putin de 16 sisteme de lipire VPS. In vederea alegerii solutiei optime este necesar sa luam in considerare urmatoarele aspecte:

- volumul de productie;

- cresterea complexitatii placilor de cablaj imprimat;

- costul echipamentului;

- facilitatile tehnice si tehnologice oferite in raport cu tendintele de evolutie a tehnologie electronice;

- costuri de mentenanta;

- suportul tehnic.

2.3.2.4 Rezultate experimentale privind introducerea tehnologiei de lipire prin retopire in faza de vapori

Instalarea la INTRAROM a unei masini de lipire prin retopire in faza de vapori (VPS), unica in tara, tip SLC504 de la firma IBL, varianta fara zona de preancalzire IR, fig. 2.3.2.7. a, b, a permis desfasurarea unor activitati de punere in functiune a masinii si pregatire pentru utilizarea in productie. Masina are prevazuta o fereastra prin care se poate urmarii derularea procesului de lipire (fig. 2.3.2.7. a) si o zona pentru incarcare/descarcare (fig. 2.3.2.7. b), langa care este amplasat panoul de comanda.

a . b.

c. d.

e. f.

g

Fig. 2.3.2.7. a-g. Faze caracteristce procesului VPS Fig. 3.8. Deplasare componenta

Ansamblul realizat din componentele plantate in pasta depusa pe padurile placii cu circuite imprimate este plasat pe un suport tip grila (fig. 2.3.2.7. c).

Acest suport are un sistem auxiliar de prindere tip cadru si constitue vectorul de transport automat al placii pe parcursul derularii procesului de lipire. Grila suport introduce ansamblul pcb – pasta – componente in zona tampon in care ar fi avut loc faza de preancalzire IR si de aici in zona activa vizibila prin fereastra de inspectie (fig. 2.3.2.7. d).In aceasta zona grila va fi deplasata pe verticala conform programului prestabilit in scopu realizarii profilului termic necesar lipirii. Se poate observa fierberea lichidului in partea inferioara a incintei (fig. 2.3.2.7. e) si generarea vaporilor care imbraca placa si componntele plantate, constituind mediul de transfer al caldurii (fig. 2.3.2.7. f). Dupa finalizarea procesului de lipire placa asamblata este livrata prin zona tampon in zona de incarcare/descarcare (fig. 2.3.2.7. g).

• Urmarirea fazelor procesului si verificarea posibilitatilor de lipire pe ambele fete ale pcb

A fost introdusa in proces o placa asamblata si s–a urmarit comportarea componentelor lipite supuse la o a doua lipire. S-au observat deplasari pe verticala a unor terminale chip si deplasarea pe orizontala a unui BGA (Fig. 2.3.2.8.). Profilul termic utilizat este prezentat in Fig. 2.3.2.12. Analiza profilului arata ca faza de preancalzire a fost prea scurta ceea ce a avut drept consecinta dispersii ale gradientului de temperatura pe suprafata placii ce au determinat deplasari ale componentelor.

Fig. 2.3.2.10 Pasta sub actiunea vaporilor Fig. 2.3.2.11. Formarea bilelor de pasta topita

A fost depusa pasta pe corpul unor componente de pe placa asamblata si a fost reintrodusa in proces. S-au urmarit modificarile pastei in timpul derularii procesului. Sub actiunea vaporilor (Fig. 2.3.2.10), pasta a suferit transformari specifice finalizate cu bile de topitura pe intreaga suprafata a placii indiferent de pozitie si de cantitatea de pasta (Fig. 2.3.2.11).

• Asamblari comparative IR/VPS si analiza X-Ray

In continuarea experimentelor realizate pentru introducerea tehnologiei VPS la INTRAROM s-au asamblat comparativ placi din productia curenta pe liniile SMT - IR. Placa de test T1 (fig. 2.3.2.12) este o placa de dimensiuni relativ mari, cu echipare medie pe o singura fata.

Fig. 2.3.2.12. Placa de test T1 Fig. 2.3.2.13. Placa de test T1 in VPS

Dupa trecerea prin procesul VPS (fig. 2.3.2.13), placa T1 a fost supusa unei inspectii vizuale care a pus in evidenta defecte de lipire pentru componentele chip de tipul tombstoning (fig. 2.3.2.14). La unele componente s-a observat si o rotire ce a insotit fenomenul de tombstoning (fig. 2.3.2.15).

Fig. 2.3.2.14. Tombstoning placa T1 Fig. 2.3.2.1 Tombstoning cu rotire placa T1

Placa de test T2 este o placa de dimensiuni relativ mici, cu echipare medie pe ambele fete. Dimensiunile mici ale placii T2 au impus panelizarea a 4 placi pe panel (fig. fig. 2.3.2.17a). Placa T2 necesita asamblarea pe fata superioara (Top) a unui modul complex GPS (fig. 2.3.2.16a). Acest tip de componenta are prevazute pentru conectare un numar de paduri pe care este depus aliaj LF a carui compozitie nu este precizata si pentru care analiza X-Ray (fig. 2.3.2.16b, c.) a pus in evidenta voiduri. Criteriul de acceptanta IPC-A-610 este indeplinit, suprafata totala a voidurilor pentru fiecare pad fiind sub 25%.

.

Fig. 2.3.2.16. Modul GPS: a. Vedere fata conexiuni; b, c. Analiza X-Ray pentru modul

Asamblarea acestui tip de componenta pe liniile SMT - IR a generat probleme de calitate a lipiturilor, inclusiv de neaceptare, din cauza calitatii padurilor de interconectare si a masei termice mari. De asemenea au aparut cazuri de pierdere a unor componente de pe fata inferioara (bottom).

a. b. c.

Fig. 2.3.2.17. Placa de test T2 panelizata: a. In suport, b. T2 in VPS, c. T2 dupa VPS

S-a executat anterior asamblarea fetei inferioare (bottom) pe linia SMT – IR. Practic la masina VPS s–a executat o a doua lipire prin retopire (double reflow).

Dupa trecerea prin procesul VPS (fig. 2.3.2.17b,c), panelul cu 4 placi T2 preasamblat a fost supus unei inspectii vizuale si X-Ray care a pus in evidenta defecte de lipire pentru componentele chip de tipul tombstoning, prezenta voidurilor la conexiunile modulului GPS si a demonstrat ca a doua operatie de lipire VPS ( VPS double reflow) nu a afectat calitatea primei asamblari.

Defectele de lipire a componentelor chip analizate demontreaza o mare variabilitate. Panelul cu 4 placi T2 a permis observarea aceluiasi grup de componene in 4 zone diferite ale panelului (fig. 2.3.2.18a, b, c, d.). S-a observat ca fenomenul apare aleator si la amble capete. De la a fi prezent la componentele R5, R9, R29 pe placa T2/2, cu rotire pentru R29 pe placa T2/1, 2, pentru terminal diferit R9 pe placa T2/1, la absenta pentru R5, R9 pe placa T2/3 si la absenta completa pentru R5, R9, R29 pe placa T2/4.

a. b.

c. d.

Fig. 2.3.2.18. Panel placa T2 dupa lipire VPS: a. Panel T2/1, tombstoning R9, 29; b. Panel T2/2, tombstoning R5, 9, 29; c. Panel T2/3, tombstoning R9; d. Panel T2/4 tombstoning absent

S-a lucrat cu un profil termic standard pentru linia smt (Fig. 2.3.2.19.). Profilul termic pentru VPS este prezentat in Fig. 2.3.2.20. Culoarea verde reprezinta pofilul programat, iar celelalte curbe reprezinta variatia temperaturii pe placa in 2 puncte masurate local cu termocuple. Se observa ca temperatura maxima nu depaseste 230°C, iar diferenta maxima de temperatura intre cele doua puncte este de circa 3°C. Din analiza profilului prezentat rezulta ca fata de curba prestabilita, variatia reala de temperatura este foarte mare in zona de preincalzire si in zona de racire, palierul de temperatura maxima fiind extins.

Fig. 2.3.2.19. Profil IR Fig. 2.3.2.20. Profil VPS

Analiza X-Ray a conexiunilor modulului GPS a evidentiat o compactare a voidurilor (fig 2.3.2.21a.) care poate duce pana la limita de acceptanta. In figura 2.3.2.21b. se poate observa suprafata voidului in raport cu a padului si extinderea aliajului in exteriorul padului generand efectul de perna (pillow)

a. b.

Fig. 2.3.2.21. a,b. Analiza X-Ray pentru lipirea modulului GPS pe placa. Voids

Fig. 2.3.2.22. Placa T3 Fig. 2.3.2.23. Profil termic B

Placa de test T3 este o placa cu substra metalic aluminiu de 5mm grosime si masa termica mare (Fig. 2.3.2.22.). Are componente smd pe top, doua straturi de cablaj imprimat, top si botom si substratul ca plan de masa.

S-a lucrat cu un profil termic modificat in sensul maririi duratei fazei de preancalzire si micsorarii pantei variatiei de temperatura pe aceasta faza in scopul asigurarii temperaturii optime de lipire pentru placa cu masa termica mare (Fig. 2.3.2.23.).

a. b.

Fig. 2.3.2.24. a, b. Indoirea terminalelor Fig. 2.3.22 De-wetting

S-a obtinut o scadere drastica a defectelor tombstoning, dar au aparut defecte de indoire a terminalelor tranzistorilor (Fig. 2.3.2.24a, b.) si de umectare la lipire (Fig. 2.3.2.25).

Din analiza profilului termic utilizat se observa o durata mare de mentinere a temperaturii de lipire de 230°C, ceea ce a dus la o deformari ale terminalelor. Concluzia este ca randamentul de transmisie al caldurii la lipirea prin retopire cu utilizarea VPS in raport cu tehnologiile IR este mai mare ceea ce impune modificarea radicala a modului de alegere a profilului termic. Se impune o analiza teoretica detaliata a procesului si verificari experimentale pentru stabilirea profilului optim functie de masa termica a placii si componentelor

3. Defecte specifice tehnologiei de lipire prin retopire

3.1. Bile de aliaj (Solder ball- Fig. 3.1)

Pot aparea langa pad (Solder balling) datorita excesului de pasta, intre paduri (Mid chip balling) sau imprastiate (Spattering) datorita oxidarii particulelor din pasta sau datorita explodarii solventului din pasta.

a. b.

Fig. 3.1. Solder ball   Fig. 3.2. a. Umectare redusa; b. De-wetting

3.2. Umectare redusa (Poor wetting / de-wetting - Fig. 3.2a,b)

Apare datorita suprafetelor oxidate pe paduri, oxidarii padurilor inainte de topirea aliajului, continut ridicat de oxizi in pasta.

3.3. Aspectul lipiturilor, reziduri (Cosmetic Appearance- Fig. 3.3)

Este determinat de calitatea pastelor si de parametrii profilului termic. Se caracterizeaza prin aspect branzos al lipiturii si/sau reziduri aparente. Pot ascunde lipituri reci.

a. b. c.

Fig. 3.3. Aspectul lipiturilor, reziduri

3.4. Deplasarea componentelor chip (Chip Movement / Tomb Stoning / Draw bridging- Fig. 9.3.2c, Fig. 2.3.2.14, Fig. 2.3.2.15)

Se datoreaza unui dezechilibru al fortelor ce actioneaza in lipitura care apare datorita unor diferente de temperatura sau de giometrie a padului si/sau a componentei. Se pot observa in imaginile de la cap. 2.3.2.4: Rezultate experimentale privind introducerea tehnologiei de lipire prin retopire in faza de vapori.

3. Lipitura rece (Cold joint)

Apare datorita temperaturii coborate in faza de retopire.

. Discontinuitati / incluziuni in structura lipiturilor (voids- Fig. 2.3.2.21. a,b)

Apare datorita unei durate reduse a aliajului in stare lichida ce nu poate elimina fluxul ramas in aliajul topit. Are o importanta majora cresterea tensiuni superficiale determinata de oxidarea la suprafata a lipiturii.

3.7. Efect de perna, cu zona redusa de lipire (Pillow- Fig. 3.7)

Fisuri/deteriorari (popcorn cracking, delamination- Fig. 3.8)

3.9. Filamente (Whickers- Fig. 3.9)

Este un fenomen de crestere a unor filamente de staniu pur la aliajele cu o concentratie mare de staniu. Apare in special la padurile acoperite cu staniu pur.

a. b.

Fig. 3.7. a. Efect de perna, cu zona redusa de lipire (Pillow), b. Mecanism de aparitie

a. b. c.

Fig. 3.8. a, b, c. Fisuri/deteriorari

4. Modificari in procesul de lipire prin retopire determinate de utilizarea aliajelor LEAD-FREE

Numeroase studii au evidentiat ca noua tehnologie fara plumb aduce importante neajunsuri care se rasfrang asupra calitatii lipiturii si a fiabilitatii ei:

umectare redusa;

continut mai ridicat de voiduri in structura lipiturii;

fisuri/deteriorari in structura componentelor si a placilor de cablaj;

finisare mai proasta a suprafetei lipiturii.

a. b.

Fig. 3.9. Filamente (Whickers)

Calitatea udarii in cazul pastelor fara plumb este rezultatul direct al unghiului de umectare a picaturii de aliaj. Unghiul de umectare facut de aliajul SAC pe padul de cupru este mai abrupt decat cel facut de aliajul SnPb, dar e considerabil mai mic pe suprafata finisata cu aur. Pentru a depasi aceste proprietati fizice ale aliajului producatorii de paste au crescut nivelul de activatori din flux, dar impactul a fost minim. Desi sunt observabile unele imbunatatiri, specialistii par sa conchida ca nu pot fi obtinute udari comparabile cu cele de la tehnologia cu plumb. Umectarea poate provoca defecte precum:

nealinierea componentelor;

ridicari ale componentelor (tombstoning);

bile de aliaj.

Voidurile sunt discontinuitati in structura lipiturilor si apar datorita unei durate reduse a fazei in care aliajul este in stare lichida astfel incat nu poate elimina fluxul ramas in aliajul topit. Fluxul activ chimic, reduce tensiunea superficiala la jonctiunea dintre metalele din compozitia terminalelor si a padurilor permitand lipirea.

Tab. 4.1. Parametri profilului termic Lead-Free

Procesul Lead-Free a necesitat tipuri noi de paste, mai active chimic.Temperatura ridicata afecteaza placile cu cablaj imprimat si componentele electronice in cursul procesului de lipire prin retopire. Ca urmare sunt mai frvente si mai grave defecte de tip discontinuitati / incluziuni in structura lipiturilor (voids) si/sau fisuri/deteriorari (popcorn cracking, delamination).

Toate aspectele prezentate impun modicari radicale privin parametr si variabilele procesului. Profilul termic prezentat in Fig. 2.3.1.1. a. b. se modifica conform recomandarilor IPC / JEDEC prin standardul comun J-STD-020C, (Tab. 4.1.) pentru a putea asigura temperatura crescuta, pana la 260 sC, necesara realizarii lipirii componentelor in procesul de retopire. Temperaturile de varf recomandate pentru procesul de lipire prin retopire care utilizeaza metode IR sunt rezentat in Tab. 4.2. functie de volumul componentei.

Tab. 4.2. Valorile recomandate pentru temperatura de varf specifica procesului de retopire Lead-Free