BGA и RoHS – Дуумвират из Ада

Ранее я основательно прошелся по каверзам RoHS и выложил неплохой школьный реферат о BGA. Однако, что касается алгоритмов пайки, тот реферат ограничивался уклончиво-витеватым оборотом о некоем цирке.

Итак, усредненная ситуация такова: у вас плата на православной эвтектике SnPb 63/37, на которую надо установить микросхемы с бессвинцовыми выводами, и вы начинаете терзать нейронку гугла разными вариациями запроса.

КАК ПАЯТЬ BGA?

Прежде, чем паять, как в классическом вестерне – от героя со стволом у виска вернемся назад, к моменту, когда все начиналось

А проблемы начались в 2006 году, с введением RoHS. И в первые годы их можно было игнорировать, поскольку на складах имелось достаточное количество дореформенных компонентов, а у заводов было обещание производителей поставлять комплектующие для ремонта, плюс лазейка в виде существования MIL-градации микросхем. Благодаря этому, в Европе лягушка варилась постепенно, подготовленная к тому же надлежащей пропагандистской компанией. Российские же специалисты пребывали в блаженном неведении, пока отдельные теоретики отрасли ограничивались дискуссиями и публицистической активностью алармистского толка. Вплоть до 2015 года, когда махом был введен ГОСТ Р 56427-2015, регламентирующий технологию поверхностного монтажа при пайке с применением бессвинцовой и смешанной технологии.

Далее следовали мучительные многомесячные процессы понукаемой сверху переработки производственной документации и технологических схем. Сильно постаревший кадровый состав российского приборостроения встречал нововведение с некоторым недоумением. Еще одной проблемой, имевшей тот же корень бюрократизированности, стали долгие циклы НИОКР, из-за которых, например, компоненты, закончившиеся на складах в версии со свинцовым лужением, оказывались сняты с производства в принципе, независимо от покрытия.

Довольно, однако жалоб, сейчас последуют эмпирические рекомендации, которых, как всегда будет кратно меньше. Однако, сперва нужно внимательно приглядеться к маркировке на корпусе, чтобы понять.

ЧТО ПАЯТЬ?

Речь идет о не только о компонентах, но и о припоях. Упрощенно, примем, что для обоих элементов пайки, есть всего два состояния – свинец/бессвинец, тогда все многообразие сочетаний дает нам всего 4 варианта, чья применимость на производстве падает по часовой стрелке:

Лучший ответ на вопрос выше – тот, который получен самостоятельно. Потому КАЖДЫЙ вдруг попавший на производство компонент должен проходить вычитку даташита с проверкой маркировки на соответствие. Можно возразить, что это подразумевается само собой, однако это было бы непростительным идеализмом.

Далее компоненты должны быть отсортированы по виду лужения и по сочетаниям.

1. Как видно из приведенной таблицы, наилучшим вариантом является пайка луженых свинецсодержащим припоем компонентов оловянно-свинцовой же пастой.
2. Если применение смешанной технологии неизбежно, единственным приемлемым вариантом становится посадка бессвинцового лужения на свинцовую пасту, естественно, избегая извратов, вроде покрытий, легированных висмутом, цинком и индием – эти провоцируют образование снижающих прочность соединения интерметаллидов. Приемлем вариант с точки зрения прочности соединения, а вот применение высокотемпературного профиля заставляет либо применять пасту с расширенным окном действия флюса, либо искать иные методы, включая экраны с дырочкой, чтобы избежать типичных дефектов перегрева свинцовой эвтектики.

3. Красный квадратик – соответствует требованиям RoHS, не более. Пойдет для потребительской техники малого срока службы, если вы ВДРУГ поставляете в страну, где есть требования экологических директив.
4. Бессвинцовый припой и свинцовое лужение – худший вариант: ни надежности, ни соответствия экологическим стандартам, ни здравого смысла. В профессиональном жаргоне закрепилось понятие «отравление свинцом» для процесса, происходящего в соединении при такой пайке. Впрочем, если очень сильно заморачиваться процессом, даже здесь можно получать приличный результат – так, ночной прицел, устанавливаемый на пулемет КОРД, по определенным сообщениям, паяется именно на таком сочетании припоев, и, имея в составе платы три микросхемы в корпусе, BGA, выдерживает на испытаниях настрел 3 000 патронов, на минуточку, калибра 12,7мм.

В общем разбиение исчерпывающее и, на первый взгляд, не пугающее. Какое отношение, кроме справочного, оно имеет к BGA? А то, что именно в их случае, физико-химические характеристики паяемого соединения задаются материалом шара, как наиболее массивного элемента. А материал шара у подавляющего большинства микросхем, как сказано выше – бессвинцовый сплав. То есть – любая пайка относится к нижней, мрачных цветов, строчке таблицы. В случае терминального, четвертого варианта, к свинцовому отравлению добавляется характерная для варианта 2 проблема с перегревом флюса. Кроме того, при пайке с применением паст, может образовываться две пары сочетаний – паста/вывод и припой/площадка. Соответственно, заказ плат должен (а есть примеры обратного), происходить в строгой координации с остальными элементами схемы. Всегда требуйте у поставщика текстолита наборы лидчеков! Их нужно проверить как на практически – на пайки, так и аналитически – спектрометром. Вещь на электронном производстве нежданная, но крайне полезная.

Суть

Итак, ясно – можно паять с технологически обусловленной пониженной надежностью, уповая на точное соблюдение режимов, а можно так, чтобы качество пайки было обеспечено материалами. Следовательно, от бессвинцовых выводов лучше отходить вообще.

Купить компоненты здорового человека, мы поняли раньше, тяжко, поэтому остается реболлинг. Можно попенять, что в прошлой статье я советовал избегать этого – однако, время проходит, и, после общения со спецами и обильного чтения, мнения меняются. Больше всего в этой перемене на меня повлияли коллеги из РТС и Миландра. Никуда не делся факт тот, что увеличение числа циклов нагрева увеличивает и число компонентов, уходящих в брак, однако, прекрасная статья об ЭТТ, откуда я позаимствую ниже данную диаграмму, помогла осознать, что брака будет больше на ОТК и меньше у клиента, говоря профессионально – повысится процент выявления компонентов, склонных к отказу. Минусы у операции тоже есть – падает на одно значение уровень MSL.

Вариантов проведения этой процедуры достаточно много, поскольку потребность существует не год и не десять. Возможно проводить как своими силами, так и на стороне. Если вы выбираете второй вариант – любезный подрядчик сделает это на установке лазерного реболлинга, либо на чуть менее быстрой, но не менее специализированной системе размещения шарового припоя. Если же делаете это у себя – некоторые производители установщиков предлагают к своим станкам питатели для шаров. И наконец, самый простой и универсальный вариант – ремонтная станция BGA, к ним что трижды помянутые шары, что трафареты и, опять же, специализированные паяльные пасты можно найти на любом маркетплейсе. Такая штука есть в каждом уважающем себя подвале по ремонту электронного ширпотреба, а у моих коллег из отдела продаж их целая прорва. На них «перекатывают» выводы, ставят микросхемы на плату, и проводят мелкий ремонт в цеху, и даже продают предприятиям поменьше после покупки десятизонной печи.

Есть и вариант, выходящий из представленных в таблице – паять, осуществляя фиксацию компонента на плате и очистку поверхности за счет нанесения тонкого слоя флюса, который, как правило, плюхают кистью на всю область платы с матричными контактами. Метод, не вполне соответствующий стандартам, но в некоторых кругах вполне ортодоксальный.

Перерабатывая все ранее озвученное в выжимку:

1. Знать что паяешь. Знать куда паяешь. Знать чем паяешь.
2. Следить за совместимостью паяльных материалов и компонентов.
3. Тотальный реболлинг. Если соблюдается – следить за MSL.
4. Контроль. На всех этапах: комплектация, подготовка, производство, готовое изделие.

   Визуальный контроль осадки, микроскоп с призмой, JTAG-тестирование, рентген. Чем больше пунктов соберется, тем лучше. Особенно рентген, даже если придется свозить на проверку за деньги.

5. Читайте прошлую статью по сабжу. Все, что касается хранения, пайки и мытья. Повышение надежности – комплексная мера.

с Вами был Магистр Георгий – жду замечания и дополнения.