Новые FA: точность и экологичность? 

Вот вопрос, который все чаще всплывает в разговорах на выставках и в переписке с заказчиками. Многие сразу представляют себе что-то вроде ?зеленого? флюса или припоя без свинца — и на этом мысль останавливается. Но если копнуть глубже, в саму логику процесса, все оказывается куда интереснее и неоднозначнее. Где та грань, за которой экологичность начинает конфликтовать с той самой прецизионностью, ради которой мы все это и затеяли? Попробую изложить свои соображения, исходя из того, что видел и с чем сталкивался.

Не просто ?без свинца?: что скрывается за термином

Когда говорят ?новые материалы для пайки?, первая ассоциация — RoHS, директивы, запреты. Это, конечно, база. Но сейчас речь уже не только о составе. Возьмем, к примеру, бессвинцовые припои на основе олова с добавками серебра, меди, иногда висмута. Да, они более ?чистые? с точки зрения утилизации. Но их температура плавления часто выше, чем у классических SnPb. Это сразу бьет по термочувствительным компонентам, требует пересмотра температурных профилей в печах. Бывало, получали красивые паяные соединения, а на соседнем чипе от перегрева отваливалась крышка или деградировал внутренний клей. Так что экологичность здесь — это целый комплекс технологических подстроек, а не просто замена одного материала другим.

Еще один пласт — это флюсы. Переход на составы с низким содержанием летучих органических соединений (ЛОС) или вообще на водорастворимые флюсы — это большой шаг. Но тут же встает вопрос об остатках. Если с классическими ROSIN флюсами остатки иногда можно было условно оставить (не для высоконадежных применений, конечно), то с новыми ?мягкими? составами промывка становится критичной. И вот тут экологичность процесса упирается в экологичность последующей очистки: чем и как мы будем смывать эти остатки? Если использовать мощные современные смывочные составы, то получаем замкнутый круг. Некоторые коллеги пробовали переходить на так называемые ?no-clean? флюсы для ответственных узлов, но потом, при контроле под микроскопом, находили тонкие пленочные остатки, которые со временем в условиях влаги могли привести к электромиграции и отказам. Пришлось возвращаться к промывке, но уже с ультразвуковыми ваннами на специальных, менее агрессивных химикатах.

И третий аспект, о котором часто забывают, — это сами базовые материалы плат и компонентов. Тенденция к миниатюризации и использованию высокотехнологичной конструкционной керамики в корпусах микросхем или как основания для силовой электроники — это тоже часть ?новой? экологичности. Такая керамика, например, на основе оксида алюминия или нитрида алюминия, лучше проводит тепло, позволяет делать компактнее и надежнее. Но ее коэффициент теплового расширения (КТР) может сильно отличаться от КТР припоя или медной подложки. При пайке и последующих термоциклах это рождает механические напряжения. Знакомый инженер из одной компании, которая как раз занимается такими материалами, ООО Внутренняя Монголия Санпу Экспериментальное Оборудование (их сайт, кстати, https://www.nmgspsy.ru), как-то делился проблемой: они поставляли керамические подложки для мощных LED, и заказчик жаловался на трещины паяных соединений после 500 циклов. Оказалось, что припой был подобран без учета КТР керамики. Пришлось совместно подбирать композитный припой с упругими включениями. Так что экологичность и надежность здесь напрямую связаны через правильный подбор пары материалов.

Точность: когда микрон решает все

С прецизионностью в современных FA (площадках для поверхностного монтажа) своя история. Автоматизация дозирования паяльной пасты, системы оптического выравнивания (AOI) после пайки — это уже стандарт. Но точность начинается раньше. С трафарета. Толщина и геометрия апертур в трафарете для шариковых выводов (BGA) или микрочипов в корпусах типа 0201 — это искусство. Помню случай на производстве контроллеров: перешли на более экологичную пасту с меньшим размером частиц, думали, улучшим печать. А она, из-за другой реологии, начала залипать в узких апертурах трафарета, рассчитанного на старый состав. Потери точности позиционирования пасты были катастрофическими, брак взлетел. Пришлось экстренно перегравировать трафареты с другими геометриями стенок.

Лазерная пайка и селективная пайка волной — вот где вопросы точности и экологичности пересекаются особенно ярко. Лазерная хороша тем, что энергия подводится локально, нет перегрева всей платы, можно использовать более ?нежные? бессвинцовые припои. Это плюс и для точности, и для ?зелености?. Но! Требуется ювелирная калибровка мощности и длительности импульса для каждого типа соединения. Настройка — это часы, а иногда и дни работы. И если в партии компонентов есть разброс по толщине выводов или качеству покрытия, можно получить и недопай, и перегрев. Селективная пайка волной экологичнее старой технологии сквозного монтажа волной (меньше расход припоя, точечное воздействие), но точность удержания мелких компонентов от сноса миниатюрной волной — это отдельная головная боль. Тут нужны сложные, точно изготовленные защитные экраны (паллеты).

И, конечно, контроль. AOI-системы стали умнее, они могут отслеживать не только наличие/отсутствие компонента, но и объем паяльной пасты по теням, форму мениска припоя. Но они же и ужесточают требования. То, что раньше проходило как условно-годное (немного смещенная деталь, но пайка надежная), теперь система бракует. Это повышает общую точность процесса, но и увеличивает процент визуального брака, который потом требует дорогой ручной перепроверки. Получается, что технология контроля, обеспечивая точность, иногда бьет по экономике. И вот тут нужно находить баланс, настраивая пороги чувствительности системы не по шаблону, а исходя из реальных рисков для конкретного изделия.

Практические ловушки и неочевидные компромиссы

В теории все гладко. На практике же постоянно вылезают нюансы. Один из самых болезненных — совместимость материалов. Допустим, выбрали супер-экологичный флюс с отличными паяющими свойствами. А он, как оказалось, вступает в реакцию с маркировкой на корпусах некоторых конденсаторов, разъедает ее за полгода хранения на складе. Или новый ?зеленый? припойный сплав имеет склонность к образованию усов олова (tin whiskers) в определенных условиях влажности и механических напряжений. Это кошмар для долгосрочной надежности, особенно в аэрокосмической или медицинской технике. Борются с этим легированием, но это опять меняет свойства.

Еще одна ловушка — кажущаяся экономия. Более экологичные материалы, как правило, дороже. Менеджмент давит, чтобы снизить стоимость процесса. И начинаются полумеры: используют новый припой, но со старым, более агрессивным (и дешевым) флюсом. Или экономят на предварительном подогреве плат перед пайкой бессвинцовыми составами, что приводит к тепловому шоку и дефектам. В итоге общие затраты из-за брака и доработок оказываются выше, чем если бы изначально сделали все по уму. Это классическая ошибка, на которой ?обжигаются? многие, кто пытается внедрить новые FA точечно, не перестраивая весь процесс.

Отдельно стоит упомянуть ремонт и доработку. Паять бессвинцовым припоем ручным паяльником — то еще удовольствие. Температура жала нужна выше, время прогрева дольше, риск перегреть компонент и плату возрастает. А если нужно заменить BGA-компонент? Тут требуется уже инфракрасная станция с точным профилем, опять же отличным от свинцового профиля. Не у каждого сервис-центра такое есть. Получается, что экологичность на основном производстве может создать проблемы на этапе жизненного цикла изделия. Нужно заранее продумывать и эту сторону, готовить ремонтные комплекты и инструкции под новые материалы.

Оборудование и материалы: связка, которую нельзя разрывать

Нельзя говорить о новых FA, не касаясь ?железа?. Современная печь для оплавления — это сложный компьютер, управляющий десятками зон нагрева. Под каждый новый тип паяльной пасты и припоя нужно выпекать (в прямом и переносном смысле) новый температурный профиль. И это не просто цифры из даташита. Нужно учитывать массу платы, плотность компонентов, материал основания. У нас был опыт, когда для тяжелой платы с металлическим сердечником (использовалась как раз для отвода тепла от мощных элементов на керамической основе) стандартный профиль для бессвинцовой пасты не подошел. Нижние зоны печи не успевали прогреть плату до нужной температуры, верхние при этом уже перегревали мелкие чипы. Пришлось замедлять конвейер и долго экспериментировать с балансом верх/низ.

Поставщики материалов здесь — ключевые партнеры. Недостаточно просто купить ?зеленый? припой. Нужен техподдержка, данные о долгосрочной надежности соединений, совместимости. Вот почему иногда имеет смысл работать с компаниями, которые сами погружены в разработку материалов. Возвращаясь к примеру ООО Внутренняя Монголия Санпу Экспериментальное Оборудование, их ниша — это как раз исследования и разработки, производство и продажа специальных материалов, в том числе и для электроники. С такими поставщиками можно обсуждать не только цену за килограмм, но и технические детали: ?а что если мы попробуем добавить в ваш спеченный карбид вот такой элемент для улучшения смачиваемости припоем??. Это диалог на другом уровне.

И, наконец, метрология и испытания. После перехода на новые материалы стандартные методы контроля могут нуждаться в адаптации. Например, прочность на отрыв паяного соединения (shear test) для бессвинцовых припоев может давать другие значения, и пороги приемки нужно пересматривать. Или анализ срезов паяных соединений (cross-section) под микроскопом: структура интерметаллического слоя между припоем и выводом компонента у новых сплавов часто иная, и нужно учиться отличать нормальную структуру от потенциально опасной. Без инвестиций в эту аналитическую базу внедрение новых FA слепо.

Вместо выводов: непрерывный процесс, а не конечная цель

Так что же, точность и экологичность — это два взаимоисключающих параметра? Думаю, нет. Это два вектора, которые задают направление для развития всего технологического процесса. Нельзя купить ?волшебный? экологичный материал и получить точность автоматически. И нельзя, добившись микронной точности на старых материалах, считать процесс современным.

Это путь постоянных мелких итераций, проб, иногда откатов назад. Это когда технолог, глядя на X-Ray снимок BGA с идеальными шариками из нового сплава, все равно чешет затылок и думает: ?А как оно себя поведет при -40°C на улице Якутска??. Это когда закупщик договаривается с поставщиком не только о цене, но и о совместных испытаниях на термоциклирование.

И в этом смысле, вопрос в заголовке ?? — правильный. Со знаком вопроса. Потому что однозначного ответа ?да, они всегда вместе? нет. Есть конкретный проект, конкретные материалы (будь то специальный цементированный карбид для инструмента или бессвинцовый припой для платы), конкретное оборудование и, что самое важное, конкретные люди, которые должны все это связать воедино, понимая компромиссы. Только тогда можно говорить и о точности, и об экологичности не как о лозунгах, а как о реальных, достижимых характеристиках процесса.