и конвекционным нагревом

 

В случае применения паяльной пасты пайка элементов поверхностного монтажа осуществляется бесконтактным оплавлением пасты, нанесённой на контактные площадки под выводами элементов. Передача тепла к паяемым узлам осуществляется в основном с помощью инфракрасного излучения (при оплавлении инфракрасным нагревателем) или потока разогретого газа (при оплавлении потоком разогретого воздуха, инертного газа). В серийном производстве пайку производят в автоматизированных печах. В качестве нагревателей при разных способах пайки используются инфракрасные нагреватели или системы форсунок, через которые подаётся разогретый воздух, азот или пары фторорганических соединений. Платы перемещаются через печь с помощью конвейерной ленты из нержавеющей стали (при оплавлении плат с односторонним монтажом) или транспортёром из нескольких параллельных цепей (при оплавлении плат с двусторонним монтажом). При движении плат через печь выдерживается график изменения температуры, приведённый на рисунке 2.56. Перед оплавлением припоя плата выдерживается при постоянной температуре ниже точки оплавления для достижения теплового баланса и уменьше­ния напряжений в плате и компонентах. Передача тепла ИК излучением по своей природе отличается от конвекционного переноса тепла гораздо большей скоростью. При этом для качественного проведения пайки важно знать длину волны ИК излучения, прозрачность среды, а также характер поведения паяльной пасты в условиях облучения. Обычно инфракрасную пайку ЭК на поверхность КП проводят с использованием ИК излучения с длиной волны в диапазоне 1.2-2.5 мкм, в котором органические вещества прозрачны, что позволяет излучению проникать в глубь паяльной пасты, удалять из неё растворитель, не повреждая защитную паяльную маску. При ИК пайке поглощающая способность нагреваемых ЭК должна быть постоянной, однако отмечено, что её величина зависит от состояния отражающей поверхности компонента. Кроме того, недостатком ИК пайки является неравномерный нагрев платы и компонентов, который можно уменьшить, снизив скорость движения конвейера.

 

Рисунок 2.56 - Профиль изменения температуры для пайки печатной платы в печи:

Тд << (150... 160) °С – температура выдержки для прогрева платы; Т_пл = (180 —200) °С — температура плавления припоя Тп = (215…280) °С – пиковая температура в зоне оплавления припоя; t_1в > 60 с – время выдержки; t_2в > 10 с – время воздействия пиковой температуры

 

В отличие от ИК нагрева конвекционный метод передачи тепла при пайке ЭК обеспечивает равномерный щадящий нагрев печатного узла, исключающий появление теневых эффектов. Поэтому наиболее пер­спективным методом яв­ляется пайка с использо­ванием конвекционного нагрева.

Рассматривая осо­бенности пайки элек­тронных компонентов в печах, следует отметить, что при пайке одновре­менно с платой нагрева­ются установленные на ней компоненты, причём из-за относительно высокой скорости нагрева внутри компонентов создаётся неоднородное распределе­ние температуры, вызывающее механические напря­жения, которые могут разрушить компонент. Разруше­ние компонентов является одной из причин брака при пайке методом оплавления припоя в печах. Уменьшить количество разрушенных при пайке компонентов путём снижения скорости нагрева не удаётся в связи с тем, что при этом внутренние напряжения возникнут из-за того, что компоненты имеют сложную структуру и состоят из мате­риалов с разными коэффициентами температурного расширения. С этой точки зрения более выгодными являются быстрые нагрев и охлажде­ние, поскольку в этом случае внутри компонента температура не успевает подняться. Поэтому очень важным является строгое соблюдение рекомендуемого паспортом на компонент ре­жима пайки. Другая причина брака кроется в физических и химических процессах, протекающих в месте пайки. Прочное паяное соединение – вывод элек­тронного компонента - контактная площадка на плате – образуется тог­да, когда на границе раздела двух материалов (например, меди и оловянно свинцового припоя) происходит взаимная диффузия атомов металлов. Чтобы создать условия для диффузии, прежде всего, необходимо смачивание припоем поверхности метал­ла. Для этого металл при пайке по­крывают флюсом и нагревают до температуры выше точки плавле­ния припоя. При нагревании флюс переходит в жидкое состояние и растворяет загрязнение и окислы на поверхности металла, затем жидкий припой силой поверхност­ного натяжения распределяется по чистой поверхности металла.

Скорость распределения при­поя по выводу компонента и кон­тактной площадке на плате опре­деляется не только состоянием их поверхностей (окислены ли они, загрязнены или нет), но и свойства­ми используемого флюса (умерен­но активного, активного или очень активного), а также качеством са­мого припоя. Стабильность точки плавления припоя и его текучесть при нагреве выше этой точки в значительной мере оп­ределяются точностью поддержания состава припоя и содержанием в нём примесей. В современных техно­логиях пайки электронных компонентов на поверх­ность плат используют только высококачественные припои с составом, контролируемым с высокой точностью (например, американской фирмы AIM). Эти припои даже при небольшом превышении температуры над точкой плавления имеют высокую текучесть по металлу. Таким образом формируется граница взаимодействия металла и припоя, на которой образуется слой спла­ва из всех взаимодействующих металлов. Толщина этого слоя и его структура зависят от темпе­ратуры и времени пайки. В свою очередь, прочность пая­ного соединения зависит от толщины и состава слоя нового сплава. В частности, если при пайке температура незначительно превышает точку плав­ления припоя, диффузия проис­ходит медленно и за время пай­ки слой нового сплава не успе­вает образоваться. Такое «хо­лодное» паяное соединение от­личается низкой механической прочностью. Если пайку производить при высокой температуре и длительное время, то на границе взаимодействия образуется относительно толстый слой, насыщенный кристаллами интер­металлических соединений меди и обладаю­щий высокой хрупкостью. При термоциклировании пе­чатного узла, воздействии на него вибрации и ударов такое паяное соединение быстро разрушается. Есть и другие причины, которые делают высокотем­пературную пайку нежелательной. Чем выше темпе­ратура пайки, тем больше механические напряжения, вызванные различием температурных коэффициентов расширения платы и компонентов. В начале кристал­лизации припой имеет малую прочность и механичес­кие напряжения могут легко разрушить паяное соеди­нение при остывании платы. Такие дефекты пайки ха­рактерны для компонентов в корпусах типов Chip, MELF и шариковых выводов компонентов в корпусах типа CSP. Длительная высокотемпературная пайка та­ких компонентов нежелательна также по другой при­чине. Эти компоненты имеют тонкий слой металлиза­ции, которая может растворяться в припое при пайке. Следовательно, существует оптимум по температуре и длительности процесса пайки, обеспечивающий формирование паяного соединения максимальной прочности.

Согласно исследованиям паяное соединение максимальной прочности формируется при перегреве припоя на 50-70° С относительно точки плавления и длительности процесса пайки 1-2 с.

Другие методы пайки

Методы пайки волной припоя, двойной волной припоя, в ПГФ и с ИК- нагревом в настоящее время широко используются в США. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью разогретого приспособления не применяется в США, но широко распространена в Японии, где почти нет установок для пайки в ПГФ. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью лазера является еще одним способом пайки, применяемым в Японии.

Метод пайки расплавлением дозированного припоя с помо­щью нагретого приспособления был разработан в Японии приме­нительно к изделиям бытовой электроники с невысокой плотностью монтажа. Суть метода такова: коммутационная плата с компонентами помещается на теплопроводящий транспортер, содержащий набор специальных пластин (температура которых контролируется), передающих тепло через плату к выводам компонентов. Этот метод широко применяется для пайки гибрид­ных интегральных схем и может также использоваться для пай­ки некрупных компонентов, монтируемых на поверхность плат [14].

Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью ла­зерного излучения отличается от всех вышеописанных способов пайки тем, что все места соединений выводов компонентов с контактными площадками платы прогреваются последовательно, а не одновременно. Для нагрева соединений применяются твер­дотельные лазеры (на алюмоиттриевом гранате) либо газовые лазеры (на CO₂). Главное достоинство лазерной пайки заклю­чается в том, что пучок лазерной энергии хорошо фокусируется, поэтому данный метод особенно эффективен для пайки термо­чувствительных компонентов и компонентов с малым шагом выводов. Некоторые из наиболее сложных сборок на платах (например, центральные процессоры универсальных вычислительных машин) размером 10х12 дюймов (25,4х30,5 см) могут иметь 10000 - 15000 паяных соединений. Такая плотность монтажа не реализуема с помощью наиболее освоенных методов пайки расплавлением дозированного припоя, поскольку главным здесь является качество и надежность паяных соеди­нений, а не производительность установки.

Роботизированные установки лазерной пайки были изготов­лены фирмами Hitachi, Fuji, NEC и Toshiba. Типичный модуль для такого способа пайки имеет сдвоенную паяльную головку в составе робота, работающего в декартовой системе координат. Передача лазерного пучка осуществляется по оптоволоконной линии. Разложение лазерного луча с помощью оптических зер­кал делает возможной групповую пайку выводов компонента на плате одновременно по обеим сторонам корпуса SO или кристаллоносителя.

Дальнейшее развитие элементной базы и техники поверхностного монтажа направлено на размещение БИС и СБИС в корпусах BGA и CSP, а также на создание новых конструкций пассивных и нетрадиционных элементов для поверхностного монтажа, что обеспечит повышение быстродействия и экономических показателей радиоэлектронной аппаратуры.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. На какие два больших этапах может быть разделен технологический цикл изготовления полупроводниковых ИС?

2. Перечислите методы эпитаксии, укажите их особенности.

3. Перечислите основные физико-химические процессы при термическом окислении кремния.

4. С какой целью в окислительную среду добавляют хлорсодержащие компоненты?

5. Назначение литографии в планарной технологии изготовления кремниевых приборов и ИС.

6. Чем отличаются негативные и позитивные фоторезисты?

7. Опишите схему процесса фотолитографии по рисунку 2.6.

8. Опишите схему изготовления фотошаблонов для контактной и проекционной фотолитографии.

9. Разрешающая способность фотолитографии; физические и технологические ограничения.

10. Перспективные методы литографии: рентгеновская, электронно-лучевая, ионно-лучевая.

11. Механизмы термической диффузии примесей в полупроводнике.

12. Законы распределения примесей при диффузии из бесконечного и ограниченного источника.

13. Опишите процесс ионной имплантации атомов примесей, вид распределения, эффект каналирования и зависимость проекции пробега ионов от энергии.

14. Нейтронное легирование кремния. В каких случаях используется этот метод?

15. Жидкостное травление кремния: изотропное и анизотропное.

16. Виды сухого травления: плазмохимическое, ионное травление, реактивное ионное травление.

17. Методы нанесения тонких пленок. Термическое вакуумное испарение, распыление ионной бомбардировкой, катодное распыление, ионно-плазменное распыление, высокочастотное магнетронное распыление, химическое осаждение из парогазовой фазы, химическое осаждение и анодное окисление.

18. Методы получения структур типа кремний на диэлектрике. Эпитаксия на сапфире, рекристаллизация поликристаллического кремния, имплантация кислорода и азота в кремний.

19. Опишите технологический маршрут изготовления полупроводниковой ИС по рисункам 2.34, 2.35.

20. Опишите технологический процесс изготовления толстоплёночных и тонкоплёночных ГИС (рисунок 2.37).

21. Трафаретная печать проводящих, резистивных и диэлектрических паст. Термическая обработка.

22. Технологические особенности изготовления многослойных керамических подложек.

23. Основные методы получения тонкоплёночных структур в технологии гибридных ИС.

24. Многослойные коммутационные структуры на основе полиимида.

25. Основные требования к сборочно-монтажным операциям изготовления ГИС.

26. Методы монтажа бескорпусных приборов и полупроводниковых ИС.

27. Методы термокомпрессионной и ультразвуковой сварки.

28. Герметизация микросхем. Типы корпусов гибридных ИС.

29. Основные преимущества технологии поверхностного монтажа по сравнению с монтажом печатных плат в отверстие.

30. Основные требования к электронным компонентам для технологии поверхностного монтажа.

31. Классификация корпусов компонентов поверхностного монтажа.

32. Основные требования к коммутационным платам в технологии поверхностного монтажа.

33. Опишите технологический процесс изготовления межслойных переходов для многоуровневой коммутации (рисунок 2.43).

34. Конструктивно-технологические варианты изготовления коммутационных плат с использованием полимерных материалов (таблица 2.17).

35. Многослойные коммутационные платы и их характеристики (таблица 2.18 и 2.19).

36. Сравнение субтрактивной и аддитивной технологий поверхностного монтажа компонентов.

37. Контроль качества смонтированных плат методом поверхностного монтажа.

38. Перечислите основные варианты и особенности выполнения поверхностного монтажа.

39. Опишите правила проектирования топологии в технологии поверхностного монтажа для плат, изготовляемых по аддитивной технологии (таблица 2.20).

40. Основные особенности пайки расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе, инфракрасным и конвекционным нагревом, а также лазерной пайки.