27 января 2003 года Парламентом ЕС введена в действие директива 2002/96/ЕС по отходам электрического и электронного оборудования (WEEE), одним из условий которой   была необходимость переходить на бессвинцовые технологии изготовления электронного оборудования — технологии с применением материалов, не содержащих свинец.

В августе 2004 г. Парламент ЕС принял закон о запрете применения опасных для здоровья веществ — RoHS (Restriction of Hazardous Substances), в соответствии с которым все электронные компоненты и оборудование, поставляемые в Европу начиная с 2006 года не должны содержать свинец, ртуть, кадмий и шестивалентный хром.

Эти требования в дальнейшем приняла Япония и в некоторой степени их придерживается Америка.

Таким образом,  Российским предприятиям  поставляются как свинцовые, так и бессвинцовые компоненты.

Следовательно, может  возникнуть необходимость смешанной комплектации либо применение свинцовой технологии к несвинцовым компонентам.

В этой связи отметим, что  использование свинцовой технологии для бессвинцовых компонентов не всегда корректно поскольку влияет на надежность паяльных соединений, а, следовательно, на срок службы изделия, что неприемлемо когда речь идет, например,  о спецтехнике. Так, шарики бессвинцового припоя BGA-компонентов  не расплавятся при использовании свинцовой технологии и соединение будет ненадежным.

Так как технология пайки бессвинцовых компонентов отличается от свинцовой пайки  — примерно на 20 градусов выше температура пайки, другой состав припоя и флюса, другие условия хранения компонентов —  пайка смешанной комплектации должна быть осуществлена последовательно.

Покрытие печатной платы — это технология, которая осуществляется путем нанесения тонкого и непроводящего слоя на поверхность печатной платы и имеет несколько важных функций. Во-первых, защищает электронные компоненты  от неблагоприятных факторов, таких как: коррозия, влага, и физические удары. Во-вторых, улучшает пайку компонентов на печатной плате, обеспечивая надежное электрическое соединение. С покрытием  снижается вероятность выхода из строя  печатной платы и электронных компонентов, продлевается  срок службы конечного электронного продукта.

На разные участки платы с разными функциональными целями можно наносить разнообразные покрытия.

Предлагаем Вам ознакомиться с наиболее распространенными финишными покрытиями, применяемыми при изготовлении печатных плат.

Горячее лужение ПОС 63 методом HASL

Толщина покрытия: 15-25 мм.

Процесс: погружение платы в расплавленный припой с последующим удалением лишнего припоя струей горячего воздуха.

Преимущества:

• Широко известное и наиболее часто применяемое покрытие;
• Прочные паяные соединения;
• Способен выдерживать множество циклов пайки;
• Невысокая стоимость покрытия.

Недостатки:

• Неровная поверхность контактных площадок;
• Содержит свинец, вредный для окружающей среды и персонала – не соответствует директиве RoHS;
• Не подходит для плат с большим отношением толщины к диаметру отверстия;
• Высокая тепловая нагрузка на плату, может вызвать деформацию;
• Жесткий термоудар, воздействующий на многослойные платы;
• Возможны замыкания контактных площадок с малым шагом выводов.

Иммерсионное золочение (Immersion Gold)

Толщина покрытия: 3-5 мкм Ni; слоя Au – минимум 0,05 мкм

Процесс: химическое нанесение тонкой золотой пленки поверх никеля.

Преимущества:

• Равномерность толщины покрытия, высокая планарность поверхности;
• Подходит для компонентов с малым шагом;
• Поддерживает многократное термоциклирование;
• Хорошая паяемость.

Недостатки:

• Требует правильного выбора очистителей и флюсов;
• Платы должны храниться в вакуумной упаковке;
• Подходит не для всех СВЧ применений;
• Содержит никель, который считается канцерогенным;
• Не оптимально для высокоскоростных сигналов;
• Возможны дефекты типа «черные площадки»;
• Ограничения по зазорам и размерам плат;
• Относительно высокая стоимость покрытия.

Иммерсионное олово (Immersion Tin — ISn)

Толщина покрытия: 0,8-1,2 мкм Sn

Процесс: химическое нанесение оловянного покрытия для плоскости и совместимости с различными методами пайки.

Преимущества:

• Отличная паяемость, совместимость с режимами пайки HASL;
• Можно использовать стандартные паяльные пасты;
• Плоская поверхность, подходит для малого шага контактов;
• Подходит для соединений разъемов методом запрессовки;
• Полная совместимость с бессвинцовыми припоями;
• Способность к многократной перепайке;
• Невысокая стоимость.

Недостатки:

• Требует осторожного обращения с платами;
• Платы должны храниться в вакуумной упаковке до монтажа;
• Не подходит для клавиатур/сенсорных панелей;
• Ограниченное число термических циклов;
• Возможно образование дендритов.

Гальваническое золочение ножевых разъемов (Gold Fingers)

Толщина покрытия: 5-6 мкм Ni; 1,5-3 мкм Au

Процесс: электрохимическое осаждение золотого слоя на подложку никеля.

Преимущества:

• Высокая механическая прочность;
• Подходит для обеспечения надежных контактов.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• Требует гальванического контакта;
• Ограничения по размерам плат.

Иммерсионное серебрение (Immersion Ag)

Толщина покрытия:  0,1- 0,4 мкм. 

Процесс: электрохимическое осаждение серебряного  слоя.

Преимущества

• Высокая планарность поверхности;
• Хорошо подходит для SMD компонентов с шагом менее 0,5 мм и BGA;
• Средняя стоимость покрытия;
• Отлично подходит для СВЧ применений (не содержит подслой Ni);

Недостатки

• Требует осторожного обращения, возможно изменение цвета покрытия;
• Платы должны храниться в вакуумной упаковке.

На разные участки платы с разными функциональными целями можно наносить разнообразные покрытия.

Предлагаем Вам ознакомиться с наиболее распространенными финишными покрытиями, применяемыми при изготовлении печатных плат.

Горячее лужение ПОС 63 методом HASL

Толщина покрытия: 15-25 мм.

Процесс: погружение платы в расплавленный припой с последующим удалением лишнего припоя струей горячего воздуха.

Преимущества:

• Широко известное и наиболее часто применяемое покрытие;
• Прочные паяные соединения;
• Способен выдерживать множество циклов пайки;
• Невысокая стоимость покрытия.

Недостатки:

• Неровная поверхность контактных площадок;
• Содержит свинец, вредный для окружающей среды и персонала – не соответствует директиве RoHS;
• Не подходит для плат с большим отношением толщины к диаметру отверстия;
• Высокая тепловая нагрузка на плату, может вызвать деформацию;
• Жесткий термоудар, воздействующий на многослойные платы;
• Возможны замыкания контактных площадок с малым шагом выводов.

Иммерсионное золочение (Immersion Gold)

Толщина покрытия: 3-5 мкм Ni; слоя Au – минимум 0,05 мкм

Процесс: химическое нанесение тонкой золотой пленки поверх никеля.

Преимущества:

• Равномерность толщины покрытия, высокая планарность поверхности;
• Подходит для компонентов с малым шагом;
• Поддерживает многократное термоциклирование;
• Хорошая паяемость.

Недостатки:

• Требует правильного выбора очистителей и флюсов;
• Платы должны храниться в вакуумной упаковке;
• Подходит не для всех СВЧ применений;
• Содержит никель, который считается канцерогенным;
• Не оптимально для высокоскоростных сигналов;
• Возможны дефекты типа «черные площадки»;
• Ограничения по зазорам и размерам плат;
• Относительно высокая стоимость покрытия.

Иммерсионное олово (Immersion Tin — ISn)

Толщина покрытия: 0,8-1,2 мкм Sn

Процесс: химическое нанесение оловянного покрытия для плоскости и совместимости с различными методами пайки.

Преимущества:

• Отличная паяемость, совместимость с режимами пайки HASL;
• Можно использовать стандартные паяльные пасты;
• Плоская поверхность, подходит для малого шага контактов;
• Подходит для соединений разъемов методом запрессовки;
• Полная совместимость с бессвинцовыми припоями;
• Способность к многократной перепайке;
• Невысокая стоимость.

Недостатки:

• Требует осторожного обращения с платами;
• Платы должны храниться в вакуумной упаковке до монтажа;
• Не подходит для клавиатур/сенсорных панелей;
• Ограниченное число термических циклов;
• Возможно образование дендритов.

Гальваническое золочение ножевых разъемов (Gold Fingers)

Толщина покрытия: 5-6 мкм Ni; 1,5-3 мкм Au

Процесс: электрохимическое осаждение золотого слоя на подложку никеля.

Преимущества:

• Высокая механическая прочность;
• Подходит для обеспечения надежных контактов.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• Требует гальванического контакта;
• Ограничения по размерам плат.

Иммерсионное серебрение (Immersion Ag)

Толщина покрытия:  0,1- 0,4 мкм. 

Процесс: электрохимическое осаждение серебряного  слоя.

Преимущества

• Высокая планарность поверхности;
• Хорошо подходит для SMD компонентов с шагом менее 0,5 мм и BGA;
• Средняя стоимость покрытия;
• Отлично подходит для СВЧ применений (не содержит подслой Ni);

Недостатки

• Требует осторожного обращения, возможно изменение цвета покрытия;
• Платы должны храниться в вакуумной упаковке.

BGA (Ball Grid Array) — это тип корпуса поверхностномонтируемых интегральных схем.

BGA произошёл от PGA. BGA-выводы представляют собой шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы, используемые для пайки и электрического соединения с печатной платой. 

К поверхностно монтируемой интегральной микросхеме с типом корпуса BGA также применяют понятие   BGA-компонент.

Для пайки BGA-компонентов  требуется применение  специальных методов и оборудования.

Существует несколько методов пайки BGA-компонентов.

Паяльная печь (reflow oven). Это наиболее распространенный метод пайки BGA-компонентов. Плата с размещенными BGA-компонентами помещается в паяльную печь, где паяльная паста нагревается до температуры, достаточной для ее плавления. После плавления паяльная паста образует соединения между шариками BGA и печатной платой. Затем плата охлаждается, и пайка завершается.

Инфракрасная пайка (infrared reflow). Этот метод использует инфракрасные нагревательные элементы, чтобы нагревать и плавить паяльную пасту. Процесс идентичен паяльной печи, но источник тепла отличается.

Вихревая пайка (vapor phase reflow). При использовании этого  метода BGA-компонент погружается в парогенерирующую жидкость, образуя паровую фазу. Пара равномерно распределяется вокруг компонента, нагревая его и паяльную пасту. Этот метод обеспечивает более равномерный нагрев и избегает потенциальных проблем с термическими напряжениями.

Промывка печатных плат после пайки  позволяет избавиться от флюса и остатков химических веществ, которые могут проводить электрический ток и производится при помощи специальной жидкости.

Выбор типа жидкости  зависит от типа используемого флюса.

Основные методики

• Ультразвуковая ванна. Плата помещается в емкость с отмывочной жидкостью температурой +40…+55ºС на 2–15 минут, где и обрабатывается ультразвуковой волной. После этого производится двойное ополаскивание, чтобы смыть оторванные ультразвуком частица струей жидкости.
• Отмывка струями в жидкости. На плату через специальные форсунки направляется промывочное средство. Технология допускает использование жидкостей на водной основе.

Промывка в парах растворителя. Плата помещается в специальную камеру, куда попадают пары из емкости с разогреваемым очищающим средством. Они конденсируются на поверхности и растворяют загрязнения.

На сегодняшний день существуют два основных вида монтажа печатных плат: поверхностный монтаж и выводной (сквозной) монтаж.

Поверхностный монтаж.

SMT (surface mount technology) ― англоязычная аббревиатура, обозначающая технологию монтажа на поверхность (ТМП). Ее иногда путают с SMD, но последняя означает не саму процедуру, а устанавливаемые элементы (surface mounted device).

Сборка по ТМП предполагает особую методику производства печатных плат. Она отличается от традиционной сквозной технологии установки элементов тем, что требует фиксации чип-компонентов только на поверхность подложки со стороны размещения токопроводящих дорожек и не предполагает сверления отверстий.

SMD (surface mounted device) — это миниатюрные компоненты электронной схемы, которые нанесены на печатную плату с использованием технологии монтирования на поверхность — SMT (surface mount technology). Все электронные элементы, которые припаяны на плате таким способом, носят название SMD компонентов. Они имеют специальную конструкцию — без традиционных длинных выводов, которые необходимы для сквозной установки.

В понятие SMD-монтаж  вкладывают  метод установки электронных деталей (SMD компонентов) непосредственно на поверхность печатной платы (со стороны токопроводящих дорожек).

Особенности SMD-монтажа:

• Компактность. SMD-компоненты меньше по размеру по сравнению с их аналогами для сквозной установки, что позволяет увеличить плотность компоновки на печатной плате, сократить общие размеры изделия.
• Автоматизация производства. Процесс SMD-монтажа легко автоматизируется, что увеличивает производительность, снижает стоимость за счёт массового производства.
• Двусторонняя установка. Использование обеих сторон печатной платы для установки электронных деталей позволяет увеличить плотность компоновки.

Поверхностный монтаж осуществляется двумя способами сборки:

Автоматизированным. С помощью специального оборудования. Это самый популярный способ сборки, который позволяет снизить себестоимость  и обеспечить высокое качество конечного изделия.

Ручным. Актуален при изготовлении прототипов, малых партий, выполнении штучных заказов, а так же в случае технической невозможности применения автоматического оборудования либо когда автоматизация непрактична из-за сложности или уникальности проекта.

Выводной монтаж.

Несмотря на то, что в настоящий момент в мире получила широкое распространение  технология поверхностного монтажа, монтаж ряда компонентов возможен только в штыревом исполнении  (выводной монтаж).

Выводной монтаж также называют монтаж в отверстия, сквозной монтаж, DIP монтаж или монтаж THT — компонентов. Все эти сочетания отражают суть технологии — выводы компонентов устанавливаются в сквозные отверстия печатной платы и монтируются к контактным площадкам.

Соответственно, для изделий с наличием как поверхностно-монтируемых компонентов (SMD компонентов), так и выводных  сборка ведется по технологии смешанного монтажа.

В этом случае плату с SMD компонентами собирают по технологии поверхностного монтажа, а затем производят установку и пайку выводных компонентов.

Выводной монтаж печатных плат осуществляется с использованием различных технологий. Приведем три из них.

• Селективная пайка. Автоматизированный монтаж. Позволяет монтировать большинство существующих типов выводных компонентов. Метод селективной пайки заключается в том, что выборочное воздействие миниволны припоя оказывается только на те участки платы, на которые необходимо смонтировать требуемые компоненты, при этом данный процесс не затрагивает остальные ранее уже установленные элементы будущего печатного узла. Благодаря тому, что зеркало припоя контактирует не со всей нижней поверхностью электронного блока, как при традиционной пайке волной, а лишь с локальными участками платы, селективная пайка становится технологией выбора при работе с двухсторонними платами с плотным монтажом, с компонентами, имеющими выводы под корпусом, с компонентами с мелким шагом и пр.
• Пайка волной. Автоматизированный монтаж. Установки пайки волной припоя используются как для групповой пайки компонентов, монтируемых в отверстия, так и для смешанного монтажа. Актуален для плат, элементы которых должны быть размещены на одной стороне с SMD компонентами либо SMD компоненты должны быть предварительно установлены на клей. Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя.
• Пайка на стационарных паяльных станциях.

Поверхностный монтаж осуществляется двумя способами сборки:

Автоматизированным. С помощью специального оборудования;

Ручным.  Актуален, если требуется установить разнородные элементы, которые невозможно обработать автоматическим способом.

При осуществлении монтажа печатных плат в обязательном порядке выполняются операции контроля: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль.

Основные виды контроля.

Визуальный контроль осуществляется оператором.  Оборудование – микроскоп с увеличением от 2 до 10 крат. 

Электроконтроль.

Электрический вид испытаний позволяют проверить электросхему сборки на отсутствие или наличие обрыва, замыканий, а также корректность топологии. Основным критерием оценки является, значение сопротивления между двумя контактными площадками на печатной плате. В случае, если сопротивление цепи меньше заданного значения (единицы Ом), цепь считается целостной, в противном случае диагностируется обрыв цепи.

Автоматическая оптическая инспекция (АОИ)

В настоящее время, возможности автоматизированных установок для оптической инспекции печатных плат позволяют производить контроль на всех этапах сборки:

• нанесение припойной пасты;
• позиционирование компонентов;
• отверждение адгезива;
• проверка качества паяного соединения.

Автоматический режим контроля исключает ошибки, которые допускаются при ручном визуальном контроле. При этом скорость проверки одной платы в среднем занимает не более 20 — 25 секунд. Это позволяет  производить контроль при  крупно-серийном производстве.

Рентген контроль.

Для контроля качества пайки некоторых типов компонентов применяется анализ изображений, полученных с помощью рентгеновских установок.

Рентгеновский контроль заключается в просвечивании печатной платы и установленных на ней компонентов рентгеновским излучением. В отличие от обычного света, оно имеет короткую длину, высокую частоту и большой энергетический импульс, что позволяет ему легко проникать в твердые объекты и материалы.

Традиционные рентгеновские системы способны выявлять пустоты в паяных соединениях и оценивать их процентное содержание, проверять разрывы цепи, обрывы разварки кристаллов, скрытые шарики припоя, формы галтелей, недостаток или избыток нанесения пасты, заполнение переходных отверстий, скрытые перемычки припоя и смещенные паяные соединения.

Рентгеновский контроль печатных плат работает следующим образом:

• Более плотные материалы лучше поглощают рентгеновские лучи по сравнению с менее плотными;
• Сплав, образующий паяное соединение, более плотный по сравнению с материалами, из которых состоят электронные компоненты или сама печатная плата, а потому лучше поглощает рентгеновское излучение;
• Так как через паяльный сплав проходит меньше рентгеновских лучей, на рентгенограмме области пайки выглядят более темными по сравнению с окружающими материалами – эта разница анализируется специальным программным обеспечением для формирования изображения;
• Если в плате, паяных соединениях или компонентах есть дефекты, это проявляется в несоответствии расположения темных и светлых областей на рентгенограмме – именно такие признаки и выявляет техник-инспектор, анализирующий снимки.