A montagem da tecnologia de montagem em superfície depende mais de um material do que a maioria dos engenheiros gostaria de admitir:pasta de solda. O composto-uma suspensão de partículas metálicas microscópicas em fluxo-determina se uma produção de US$ 50 mil será enviada no prazo ou será descartada. Formulações recentes ampliaram os limites do que é possível alcançar em aplicações-de pitch fino, e a indústria está finalmente prestando atenção.
A revolução silenciosa sobre a qual ninguém fala
O problema do desenvolvimento de pasta de solda é o seguinte: ela não chega às manchetes. Ninguém fora da indústria fica entusiasmado com a morfologia das partículas ou com as temperaturas de ativação do fluxo. Mas nos últimos três anos, os cientistas de materiais reformularam os fundamentos de como a pasta se comporta durante o refluxo. As mudanças são sutis até que você observe os dados de rendimento.
Pós Tipo 5 e Tipo 6-estamos falando de 15-tamanhos de partículas de 25 mícrons e 5-15 mícrons, respectivamente - passaram de aplicações especializadas para a produção convencional. Cinco anos atrás, a maioria dos fabricantes contratados não tocaria no Tipo 6. Muito meticuloso, disseram eles. A janela de impressão era muito estreita.
Isso mudou.
O que realmente torna a pasta moderna “avançada”
As melhorias agrupam-se em torno de três áreas, embora considerá-las igualmente importantes seria desonesto. A estabilidade reológica é o que mais importa.
Uma pasta que é impressa consistentemente às 9h deve ser impressa de forma idêntica às 16h. Parece óbvio. Na prática, as formulações mais antigas engrossavam à medida que o dia avançava, especialmente em instalações sem um controlo rigoroso da humidade. Os operadores compensaram ajustando a pressão do rodo, o que introduziu sua própria variabilidade. A geração mais recente de veículos de fluxo-particularmente os sistemas de resina sintética-mantém a viscosidade dentro de uma faixa muito mais estreita. Vimos instalações reduzirem suas taxas de defeitos-relacionados à impressão em 40% simplesmente trocando de formulação. Nenhuma mudança de equipamento. Sem ajustes de processo. É melhor colar.
O segundo fator é o desempenho de umedecimento em superfícies contaminadas. E antes que alguém argumente que as placas não deveriam ser contaminadas-com certeza, em teoria. Os acabamentos do OSP{3}}do mundo real oxidam. As almofadas ENIG desenvolvem filmes orgânicos durante o armazenamento. Substratos-livres de halogênio emitem gases durante o refluxo. Um sistema de fluxo robusto lida com essas condições sem exigir que todos a montante alcancem a perfeição.
O comportamento de anulação é a terceira consideração. Mais sobre isso mais tarde.
O problema 0201 (e menor)
A miniaturização impulsionou a tecnologia da pasta com mais força do que qualquer outro fator. Quando seu componente mede 0,6 mm x 0,3 mm e a almofada tem talvez 0,25 mm de largura, você está depositando cerca de 0,02 milímetros cúbicos de pasta. Nesses volumes, tudo importa.
A distribuição do tamanho das partículas torna-se crítica. Uma única partícula superdimensionada-digamos, 45 mícrons em uma formulação Tipo 5-pode causar formação de pontes ou depósitos insuficientes. Fabricantes respeitáveis controlam sua produção de pó para eliminar esses valores discrepantes, mas nem todos o fazem. A diferença de custo entre o pó rigorosamente controlado e o material padrão é significativa. Alguns montadores aprendem esta lição de forma dispendiosa.
A tecnologia Stencil evoluiu paralelamente. Nano-revestimentos em aberturas de aço inoxidável-cortadas a laser melhoram drasticamente a liberação da pasta. O revestimento é hidrofóbico-a pasta não adere às paredes da abertura durante a fase de separação. Isso parece uma coisa pequena. Não é. A liberação da abertura determina se a altura do depósito é de 100 mícrons ou 85 mícrons, e essa diferença se propaga por todo o perfil térmico.
Perfis de refluxo: onde a formulação da pasta encontra a realidade
A mudança para a montagem-sem chumbo complicou tudo. SAC305-a liga dominante com 96,5% de estanho, 3% de prata e 0,5% de cobre-derrete a 217-220 graus em comparação com 183 graus do estanho-chumbo eutético tradicional. Essa diferença de 35 graus não parece muito até que você considere que toda a placa deve atingir a temperatura liquidus sem danificar os componentes sensíveis à temperatura ou queimar o fluxo.
As formulações modernas de pasta ampliaram a janela de trabalho. Veículos de melhor fluxo mantêm atividade em faixas de temperatura mais amplas, o que significa que o perfil de refluxo não precisa atingir temperaturas exatas em momentos exatos. A tolerância melhorou de talvez ±5 graus para ±10 graus ou mais com materiais premium.
Como resultado, algumas instalações ficaram com preguiça de criar perfis. Isso é um erro. A pasta é mais indulgente, não infinitamente.
Anulação: o defeito que assombra a montagem do BGA
É aqui que passarei mais tempo do que o assunto provavelmente justifica, porque a anulação leva os engenheiros de processo à loucura e as causas nem sempre são intuitivas.
Vazios se formam quando os voláteis do fluxo ficam presos na solda em solidificação. Os gases não escapam rápido o suficiente durante o resfriamento, formando bolhas. Pequenos vazios-abaixo de 25% da área de junta-geralmente não afetam a confiabilidade. IPC-7095 explica os critérios. Acima desse limite, você enfraquece a conexão mecânica e térmica.
Componentes-de terminação inferior-QFNs, DFNs, LGAs-são notórios geradores de vazios. A grande plataforma central de aterramento retém os voláteis por baixo. A pasta derrete, o fluxo é ativado e libera gás, mas o componente atua como uma tampa. O gás não tem para onde ir, exceto para a solda.
Três fatores controlam a micção e interagem de forma imprevisível:
Colar química. Nenhuma-formulação limpa tende a anular mais do que os tipos-solúveis em água, porque o resíduo não absorve voláteis da mesma maneira. Algumas pastas não{4}}limpas foram projetadas especificamente para baixa micção; outros não. As fichas técnicas nem sempre deixam isso claro.
Atmosfera de refluxo. O nitrogênio reduz a micção em comparação ao refluxo de ar. O mecanismo não é completamente compreendido-alguns pesquisadores atribuem isso à redução da oxidação, permitindo melhor umedecimento, outros apontam para uma alteração na cinética de decomposição do fluxo. Independentemente disso, as instalações que executam refluxo de ar normalmente apresentam níveis de vazios 10-20% mais altos, às vezes mais.
Desenho de estêncil. É aqui que a maioria das pessoas olha primeiro e, honestamente, muitas vezes é o lugar errado para começar. Sim, você pode reduzir o volume da pasta para limitar a micção. Sim, você pode usar padrões hachurados ou vidraças em grandes aberturas para fornecer caminhos de fuga. Porém essas modificações reduzem o volume de solda, o que pode causar insuficiências ou reduzir a dissipação térmica. A otimização não é simples.
O que realmente funciona: refluxo a vácuo. Os sistemas que extraem vácuo durante o pico de temperatura permitem que os gases presos escapem antes que a solda solidifique. Os resultados são dramáticos:-os níveis de vazios caem para quase zero. O custo do equipamento é substancial. Para aplicações de alta-confiabilidade, isso se justifica.
A cabeça-no{1}}mistério do travesseiro
Admito que esse defeito me deixou perplexo na primeira vez que o encontrei. Você tem um BGA, perfeitamente posicionado. A pasta de solda imprime de forma limpa. O perfil de refluxo parece um livro didático. A radiografia pós--refluxo-revela algumas bolas que parecem... erradas. O depósito de pasta e a bola componente derreteram, mas não coalesceram. Eles estão se tocando sem realmente se unirem, como uma cabeça apoiada em um travesseiro. Daí o nome.
A causa raiz é a incompatibilidade de tempo. O empenamento do componente durante o refluxo afasta certas esferas do depósito de pasta precisamente no momento errado. A pasta solidifica enquanto a bola é elevada. Quando a bola desce durante o resfriamento, ela entra em contato com a-pasta já sólida, mas não consegue formar uma ligação metalúrgica.
A colagem avançada não resolve o empenamento-que é um problema-no nível do componente. Mas formulações com tempos abertos mais longos e ativação posterior do fluxo podem manter a pasta fundida até que o componente se assente novamente. É uma solução alternativa, não uma solução. Soluções reais envolvem qualificação de fornecedores de componentes e posicionamento estratégico durante o sequenciamento da montagem.
O que ninguém lhe conta sobre armazenamento de pastas
Cada folha de especificações lista o prazo de validade. Normalmente 6-12 meses refrigerado a 0-10 graus. O que eles não enfatizam são os danos causados pelo manuseio inadequado entre a geladeira e a impressora de estêncil.
A pasta fria não pode ser impressa. Ele precisa atingir a temperatura ambiente-normalmente 4-6 horas antes do uso. Retire cedo e a viscosidade está errada. A condensação se forma na superfície do frasco e potencialmente na própria pasta. A absorção de umidade altera a reologia de maneiras que não se tornam aparentes até que você depure os defeitos horas depois.
Algumas instalações possuem termopares embutidos em potes de pasta para monitorar a temperatura real. Exagero? Talvez. Mas eles pararam de sofrer quedas misteriosas de rendimento nas manhãs de segunda-feira.
O outro problema de manuseio é o carregamento de metal. A pasta de solda contém 88-92% de metal em peso, dependendo da formulação. Essas partículas assentam durante o armazenamento. Se alguém não enrolar o frasco corretamente antes de carregar a impressora-e quero dizer corretamente, não cinco rotações rápidas-as primeiras impressões serão pesadas em fluxo-e as últimas impressões serão pesadas em solda. Ambos são defeitos.
Jetting: a alternativa do estêncil
Guardei isso para perto do fim porque o jateamento ainda é um nicho, mas a tecnologia está amadurecendo rapidamente. Em vez de imprimir através de um estêncil, os sistemas de jateamento depositam pontos individuais de pasta a taxas superiores a um milhão de pontos por hora.
As vantagens são óbvias em ambientes-com alta mistura. Nenhum estêncil significa que não há tempo de mudança. Novo produto? Carregue o programa. Volume de pasta diferente em pads específicos? Trivial. Estênceis escalonados e múltiplas impressões tornam-se desnecessários.
Os requisitos de colagem são diferentes. A pasta jateada necessita de menor viscosidade e tamanho de partícula mais fino do que a pasta impressa. A maioria dos fabricantes agora oferece formulações específicas-para jateamento. Não está claro se o jateamento substituirá a impressão de estêncil na produção convencional-os números atuais de rendimento favorecem os estênceis para linhas de produtos únicos-de alto-volume. Mas o ponto de cruzamento está se aproximando.
O que vem a seguir
O desenvolvimento material tende mais para uma mudança evolutiva do que para uma mudança revolucionária. Os próximos anos provavelmente trarão refinamentos: melhor desempenho de anulação, janelas de processo mais amplas, tempos abertos mais longos antes da pasta secar no estêncil. Melhorias úteis, não transformadoras.
A exceção pode ser a soldagem-de baixa temperatura. Ligas à base-de bismuto derretendo em torno de 140 graus simplificariam drasticamente a montagem de produtos-sensíveis à temperatura. As questões de confiabilidade não foram totalmente resolvidas-fragmentos de bismuto sob certas condições-mas a pesquisa está em andamento. Vários grandes fabricantes de pastas têm produtos-de baixa temperatura qualificados.
Por enquanto, a pasta avançada significa menos defeitos, margens de processo mais amplas e a capacidade de montar componentes que seriam impraticáveis cinco anos atrás. Isso vale mais do que os engenheiros normalmente reconhecem.
A indústria eletrônica tende a se concentrar em anúncios dramáticos:-novas arquiteturas de chips, materiais inovadores e processos revolucionários. Enquanto isso, melhorias incrementais na pasta de solda permitem silenciosamente cada geração sucessiva de miniaturização. A tecnologia raramente recebe crédito proporcional ao seu impacto.
