Дозирование паяльной пасты. Обзор технологии

Из определения процесса следует, что дозирование – это материалозависимая технология. Поэтому выбирая оборудование для дозирования, в первую очередь, необходимо ориентироваться на параметры и свойства материала. Так как существует обширная линейка материалов и различные сферы их применения, описать их все довольно сложно. Поэтому мы остановимся на одном из популярных и наиболее сложных с точки зрения дозирования материале – паяльной пасте.

Выбор паяльной пасты для дозирования

Паяльная паста – материал, который состоит из смеси порошкообразного припоя и флюса.

В зависимости от задач применяются разные типы припоя и разные типы флюсов, входящих в состав паяльных паст. В настоящее время наиболее широко используются свинцовые (63%Sn37%Pb) и бессвинцовые (например, SAC 305 – 96,5%Sn 3%Ag 0,5Cu) припои.

Флюс, входящий в состав паяльных паст, играет важную роль в процессе сборки электроники. Он удаляет окислы, обеспечивает адгезию к ПП и компонентам, влияет на реологию пасты (определяет, как будет вести себя паста при нанесении и формировании дозы), а также выступает в роли смазки при прохождении пасты через механизмы дозирующей головки и иглу. Плотность флюса заметно меньше плотности припоя, в среднем около 1 г/см³. В пасте по массе больше припоя, а по объему больше флюса.

Большинство паяльных паст получают путем смешивания компонентов по весу. Этот метод не компенсирует разницу между плотностью для различных сплавов, в результате чего паста может получиться непригодной для технологии дозирования. Для каждого сплава рассчитывают процент содержания металла в паяльной пасте таким образом, чтобы паста не оказалась ни слишком сухой, ни слишком жидкой. Пример: процентное соотношение припоя и флюса по объему в пасте SnPb (3-го типа) составляет 37 % припой и 63 % флюс, а по весу 85 % припоя и 15 % флюса (в отличие от трафаретной печати, где это соотношение – 90 % и 10 % соответственно). Если использовать стандартную пасту для трафаретной печати, существует высокая вероятность закупоривания иглы.

Паяльные пасты классифицируют по размеру частиц припоя в соответствии со стандартами IPC/EIA J-STD-005 и ASTM-B214. Согласно стандарту ASTM-B214 по размеру частиц пасты делятся на шесть типов. Каждому типу соответствует свой размер частиц. Паяльные пасты разных типов получаются путем просеивания частичек припоя через сито с разным шагом ячеек. Шаг ячеек определяется как количество отверстий на квадратный дюйм (1 кв. д. = 6,45 кв. см).

Обычно указываются два сита: верхнее, которое просеивает частицы максимального размера и имеет знак «–» перед значением ячейки, и нижнее, которое удерживает частицы минимального диаметра, оно имеет знак «+» перед значением ячейки.

Размер частиц паяльной пасты будет влиять на минимальный размер дозы, а также на возможную проблему с закупориванием иглы. Размер точки при дозировании варьируется в зависимости от типа головки и варианта иглы. Из практики можно считать, что минимальная доза примерно в 1,5 раза превышает внутренний диаметр (ВД) иглы или насадки. При дозировании пасты диаметр и длина иглы выбираются, исходя из размера частиц пасты и требуемого диаметра дозы. Внутренний диаметр иглы должен в 7–10 раз превышать максимальный размер частиц пасты. В противном случае дозирующая игла может быть закупорена через несколько секунд после начала процесса. Рекомендуется исходить из значения в 10 шариков, т.к. это дает дополнительный запас особенно при использовании иглы с длинным узким наконечником.

Таблица выбора паяльной пасты согласно размерам частиц и внутреннего диаметра (ВД) иглы

– Паяльные пасты, применяемые для дозирования

* Часто производители паяльных паст указывают более высокие параметры «+» для сита, это связано с тем, что для Типа пасты имеет значение максимальный размер шарика. Например, на картридже пасты Indium Типа 4 может быть указано 400/+635.

**Данные рекомендации примерны, основным критерием выбора минимального компонента является повторяемость нанесения доз пасты.

***7-й Тип паст ещё не стандартизирован.

Пример 1: чтобы нанести точку диаметром 300 мкм необходимо использовать иглу, внутренний диаметр которой составляет 300/1,5 = 200 мкм (игла 27 калибра). Чтобы игла не забивалась во время работы, необходимо использовать паяльную пасту с максимальным диаметром частицы не более 200/10 = 20 мкм, т.е. паяльную пасту 6 типа.

Пример 2: чтобы нанести паяльную пасту под компонент 0603 (1,55 × 0,78 мм, контактная площадка размером 0,8 × 0,9 мм), необходима точка диаметром 0,6 мм (600 мкм). Внутренний диаметр иглы – 600/1,5 = 400 мкм (игла 22 калибра). Максимальный диаметр частиц для пасты составляет 400/10 = 40 мкм, т.е. паяльная паста 4 типа.

Выбор вида насадки или иглы для дозирования

Выбор насадки или иглы значительно влияет на результат дозирования материалов. В предыдущем разделе уже говорилось о выборе внутреннего диаметра и длины иглы для эффективного продавливания паяльной пасты. Внутренний диаметр будет влиять на минимальную дозу, которую можно получить, а форма и размер насадки – на обеспечение качественного и повторяемого результата дозирования.

Существуют различные варианты игл и насадок для дозирования. Они отличаются по способу крепления, длине и форме иглы, наличию дополнительного стопора. Игла выбирается в зависимости от материала и технологии нанесения. Для материалов типа паяльной пасты и клея под большие компоненты применяются стандартные прямые иглы с пластиковыми головками крепления, например, производства фирмы EFD. Они могут быть с металлической или пластиковой иглой, стандартной или конической формы. Применяются такие иглы в основном под большие элементы: чипы не менее 0603 и микросхемы с шагом не менее 0,65 мм.

Существуют полностью металлические иглы. Они позволяют наносить материалы с агрессивными растворителями.

Для прецизионного дозирования паяльной пасты 200 мкм и менее с высокой повторяемостью применяются короткие металлические иглы производства фирмы DL Technology. Они изготовлены из цельного «куска» нержавеющей стали, имеют гладкую специально обработанную внутреннюю поверхность иглы для лучшего продвижения материала и конический кончик для эффективного отделения и формирования дозы. Могут быть оснащены специальным стопором (ограничителем высоты), который четко ограничивает расстояние от кончика иглы до ПП, тем самым создавая необходимый зазор для формирования дозы пасты.

Стопор может располагаться под разными углами относительно иглы. Положение стопора выбирается, исходя из задачи, а чтобы он не упирался в уже нанесенные точки, программа дозатора автоматически оптимизирует перемещение головки.

Требования к нанесению паяльной пасты

Основные характеристики доз пасты таковы: диаметр, объем, форма, положение относительно контактной площадки. Они зависят от параметров пасты, а также от режимов работы установки и головки дозирования. Большинство требований были сформулированы для технологий трафаретной печати в стандартах IPC 7527 и IPC 7525, но с точки зрения результата нанесения паяльной пасты их можно переложить на технологию дозирования.

При дозировании должны быть учтены следующие требования:

• для образования паяного соединения необходимо достаточное количество припоя. Разброс массы доз должен лежать в пределах 25 % (эмпирические данные);
• согласно стандарту IPC 7527 смещение дозы относительно контактной площадки по осям X и/или Y не должно превышать 25 %;

• в некоторых случаях доза пасты может превышать размер контактной площадки (согласно IPC 7525), если необходим увеличенный объем паяльной пасты под такие компоненты как 01005, QFP с шагом 0,5 и менее, микро BGA и CSP;

• если минимальный размер дозы превышает ширину контактной площадки, по крайней мере половина дозы должна находиться на контактной площадке. Касание соседних КП недопустимо.