Vliv tavidla na kvalitu povrchové montáže

Abstract

Tato dizertační práce se věnuje problematice tavidel. Tavidla obsažená v pájecích pastách totiž hrají neoddiskutovatelně podstatnou roli v procesu pájení přetavením. Mohou však být i příčinou snížení kvality povrchové montáže. Práce se skládá ze čtyř dílčích částí: části teoretické, která shrnuje aktuální stav poznání z hlediska obecných principů vzniku pájeného spoje, materiálů a procesů, dále rešeršní části, která se zabývá přehledem aktuálních problémů, které se vyskytují v procesu pájení přetavením, a dvou částí praktických, které se experimentálně věnují vlivu tavidel na kvalitu povrchové montáže. V teoretické části byla provedena rešerše na aktuální stav poznání v oblasti vzniku pájeného spoje, růstu intermetalických sloučenin na rozhraní mezi pájkou a pájeným substrátem, používaných materiálů včetně pájek, tavidel i desek plošných spojů, procesu pájení přetavení a diagnostiky vlastností pájených spojů. Tato část uvádí čtenáře do dané problematiky, zároveň naznačuje možné nedostatky dostupné odborné literatury především z hlediska experimentálních studií, které ne vždy zohledňují tavidlo jako vstupní faktor. Rešeršní část se pak zabývá přehledem vad, které se vyskytují v procesu povrchové montáže. Zvláštní kapitola je věnována vadám, jejichž vznik je způsoben či spojován s tavidly. V první praktické části je popsán problém související s tavidlem, jehož potřeba řešení vyvstala přímo z průmyslové praxe. Tavidlo se během procesu pájení stává aktivním a některé jeho složky se mohou náhle a masivně vypařovat, což vede k rozstřiku tavidla do okolí pájecí plošky. Tento jev následně způsobuje chyby v povrchové montáži – tavidlové zbytky mohou podporovat korozní procesy a dále, díky jejich izolačnímu charakteru, mohou ohrozit například funkci konektorů vytvořených přímo motivem desky plošného spoje. Zbytky také mohou ulpět na testovacích ploškách a způsobit tak falešně negativní výsledek in-circuit testu. Cílem experimentů provedených v této části práce bylo definovat vliv procesních a materiálových parametrů na rozstřik tavidla a nalezení takových podmínek, při kterých je možné tento jev minimalizovat. Dalším aspektem práce v druhé praktické části je hlubší pochopení vlivu tavidla a jeho aktivace během fáze předehřevu na tvorbu pájeného spoje, respektive intermetalických sloučenin na rozhraní pájka-pájený substrát. Tyto sloučeniny zásadním způsobem ovlivňují vlastnosti pájeného spoje. V experimentech byl teplotní profil pájecího procesu různě modifikován, a to jak v oblasti předehřevu, tak v oblasti přetavení. Dílčím úkolem tak bylo potvrdit či vyvrátit, zda je popis teplotního profilu pomocí hodnoty Heating Faktoru z hlediska vlivu na spolehlivost a stabilitu pájených spojů dostatečný. Pájené spoje byly podrobeny dlouhodobým klimatickým zkouškám – vlhkým teplem a teplotními šoky. Kromě růstu intermetalických sloučenin byly sledovány další vlastnosti – mechanická pevnost ve střihu a elektrický odpor, které byly dány v diskuzi do korelace s růstem intermetalických vrstev.

This dissertation thesis deals with the problematics of soldering fluxes. Fluxes contained in solder pastes play an indisputably important role in the reflow soldering process. However, they can also be the reason for the decrease in the quality of surface mounting. The thesis consisted of four parts: a theoretical part, which summarizes the actual state of knowledge from the point of basic principles of soldering, materials, and processes, further a research part that deals with actual issues occurring in the reflow process, and two practical parts, which deal with the influence of the flux on the quality of surface mounting experimentally. In the theoretical part, research work was conducted on the actual state of knowledge in the field of solder joint creation, intermetallic compounds growth between solder and soldered substrate, used materials including solder, flux, or printed circuit boards, the process of reflow soldering, and diagnostics of solder joint properties. This part introduces the reader to the topic; concurrently, it implies possible drawbacks of available professional literature from the point of experimental studies, which do not always take the flux as an input factor into account. The research part brings a summary of issues occurring in the process of surface mount technology. A special chapter is devoted to the issues caused or connected to the solder flux. In the first practical part, an issue related to flux, whose need for solution emerged directly from industry practice, is described. The flux became active during the soldering process, and some of its compounds can suddenly and massively vaporize, leading to flux spattering in the surrounding a soldering pad. This phenomenon subsequently causes issues in surface mounting – the flux residues could support corrosion processes and further, due to their insulating character, could threaten a function of connectors made directly on a printed circuit board. The residues may also adhere to testing pads and cause a false negative result of an in-circuit test. The experiment performed in this part of the work aimed to define the influence of the process and material parameters on the flux spattering and find conditions to reduce this phenomenon. Another aspect of this work is to more deeply understand the influence of the flux and its activation during the pre-heating phase on the solder joint creation, respectively, intermetallic compounds at the border between solder and soldered substrate. These compounds significantly influence the properties of the solder joint. In the experiments conducted in the second practical part, the temperature profile of the soldering process was variously modified in both the pre-heat phase and the reflow phase. The partial goal was to confirm or refute whether the description of temperature profile by Heating Factor is sufficient for solder joint reliability prediction. The solder joints were exposed to long-term climatic tests – temperature-humidity and temperature shock tests. Besides the intermetallic layers growth, other properties of solder joints were examined – mechanical shear strength and electrical resistance, which were correlated with the intermetallics growth in the discussion part.