Как правильно наносить паяльную пасту?
Большинство дефектов пайки закладываются не в печи оплавления, а на несколько шагов раньше — на подготовке пасты и в состоянии самого трафарета. Разберём процесс по порядку: от печати через трафарет до расчёта апертур под конкретный компонент.
Как наносить паяльную пасту через трафарет?
Плата фиксируется под трафаретом, паста наносится сверху, ракель прокатывается по поверхности и продавливает её через апертуры на контактные площадки. После подъёма трафарета на каждой площадке остаётся точно отмеренный депозит.
Три параметра держат этот процесс под контролем:
- Давление ракеля — 0,05–0,3 Н/мм длины ракеля. Слишком слабое оставляет пасту на поверхности трафарета вместо того, чтобы продавить её в апертуры. Слишком сильное соскребает пасту из уже заполненных апертур и быстрее изнашивает трафарет.
- Скорость ракеля — 20–150 мм/с. На высокой паста не успевает заполнить мелкие апертуры; на низкой рискует подтечь под трафарет.
- Скорость сепарации трафарета — критична для качества переноса. Резкий подъём при малых апертурах рвёт депозит; для мелкого шага годится диапазон 0,2–1,5 мм/с.
- Чистота трафарета. Каждые 10–20 циклов (в зависимости от пасты и размера апертур) нижнюю сторону протирают автоматической системой очистки или вручную безворсовой тканью с изопропанолом либо специальным очистителем. Паста, накопившаяся снизу трафарета, размазывается по плате между апертурами и превращается в мостики после оплавления.
Какой должна быть толщина слоя паяльной пасты?
Толщину задаёт трафарет, и диапазон — от 80 до 200 мкм, в зависимости от самого мелкого компонента на плате: 120–150 мкм под 0402 и крупнее, 100–120 мкм под 0201, 80–100 мкм под 01005.
Чем толще трафарет, тем больше объём пасты на площадке — хорошо для крупных компонентов, но для мелких это прямой путь к шарикам припоя и мостикам от избытка металла. Тоньше трафарет — лучше для мелкого шага, но крупные компоненты рискуют недополучить пасту.
Когда на одной плате соседствуют 0201 и крупные разъёмы с SMD-конденсаторами — с принципиально разными требованиями к объёму, — применяют трафарет со ступенчатыми зонами (step stencil): тоньше на участках с мелкими деталями, стандартной толщины — под крупные.
Форма апертуры тоже влияет на объём: квадратная даёт на 10–15% больше пасты, чем круглая при той же площади, а прямоугольная с соотношением сторон 1:1,5–1:2 остаётся самым частым выбором под прямоугольные площадки.
Как наносить паяльную пасту вручную — без трафарета?
Шприцем или лопаткой. Для точечного нанесения на конкретные площадки берут шприц с иглой 0,5–1,5 мм и пневматический либо механический дозатор — нажатие на поршень выдавливает каплю на площадку. Без дозатора повторить одинаковую дозу на каждой площадке почти невозможно, а разброс объёма — частая причина надгробного эффекта (tombstoning) на чип-компонентах.
Для единичного ремонта пасту наносят зубочисткой или тонкой стальной лопаточкой, компонент ставят пинцетом и оплавляют горячим воздухом или ИК-нагревателем. Перегрев здесь недопустим: термопрофиль держат под сплав — пик 210–215°C для Sn63Pb37, 245–250°C для SAC305.
Как правильно паять паяльной пастой с феном или паяльником?
Фен выставляют на 20–30°C выше пиковой температуры сплава, поток — умеренный. Насадку водят над компонентом плавными кругами, прогревая площадку равномерно, без концентрации потока на одном краю. Момент оплавления виден сразу: поверхность пасты становится блестящей, компонент слегка оседает. Дальше нагрев сразу убирают и дают соединению остыть без лишнего воздействия.
Паяльник работает с пастой так же, как с обычным флюсом: паста на место пайки, компонент на место, жало касается вывода — металл в пасте оплавляется от нагрева. Метод годится для ручного монтажа SOT, SOD, SOIC при ремонте или прототипировании. Температура жала — как для обычной пайки: 320–350°C для Sn63Pb37, 350–380°C для SAC305.
Как рассчитать паяльную пасту для трафарета?
Расчёт сводится к двум вещам: какой объём депозита нужен под конкретное посадочное место и обеспечивает ли геометрия апертуры чистый перенос этого объёма на плату.
Что такое коэффициент переноса пасты?
Transfer efficiency (TE) — отношение фактически перенесённого объёма пасты к теоретическому объёму апертуры. 100% значит, что вся паста ушла на площадку; в реальности хорошим результатом считается диапазон 75–125%.
На TE влияют соотношение площадей (area ratio) и аспектное соотношение (aspect ratio) апертуры. При area ratio ниже 0,66 перенос слабый: паста держится за боковые стенки апертуры адгезией и не полностью переходит на площадку. Для мелких компонентов решение не в уменьшении апертуры саму по себе, а в более тонком трафарете.
Как рассчитать соотношение площадей апертуры трафарета?
Формула:
Аспектное соотношение для прямоугольных апертур:
Если ширина апертуры меньше полутора толщин трафарета, паста не перейдёт — это жёсткое ограничение при проектировании трафарета под шаг 0,4 мм и мельче.
Пример на компоненте 0402 (площадка 0,5×0,5 мм), трафарет 0,15 мм:
- AR = (0,5 × 0,5) / (2 × 0,15 × (0,5 + 0,5)) = 0,25 / 0,30 = 0,83 ✓
- Aspect ratio = 0,5 / 0,15 = 3,3 ✓
Тот же трафарет на 0201 (площадка 0,3×0,3 мм):
- AR = (0,3 × 0,3) / (2 × 0,15 × (0,3 + 0,3)) = 0,09 / 0,18 = 0,50 ✗
Для 0201 нужен трафарет тоньше — 0,12 мм или меньше.
Правило пяти шаров: зачем оно нужно?
Апертура должна пропускать минимум пять частиц порошка по наименьшей стороне — иначе частицы заклиниваются внутри и перенос ломается.
Type 3 (частицы до 45 мкм) требует апертуру от 225 мкм. Type 4 (38 мкм) — от 190 мкм. Type 5 (25 мкм) — от 125 мкм. Переход на мелкий компонент требует сразу двух вещей: тоньше трафарет и другой тип пасты. Type 3 в апертуру под 0201 физически не проходит, а Type 5 — проходит без проблем.
Требования к паяльной пасте и её физические параметры
Стандарт J-STD-005A задаёт методы испытаний и нормы по вязкости, осадке, коррозионности остатков и ряду других параметров паяльной пасты.
Плотность
7,2–8,8 г/мл, в зависимости от сплава и металлосодержания. SAC305 при 88,5% масс. металла — около 7,8–8,0 г/мл; Sn63Pb37 с тем же металлосодержанием — 8,5–8,8 г/мл, потому что свинец (11,34 г/см³) заметно плотнее сплава SAC (около 7,4 г/см³). Параметр нужен при калибровке SPI в режиме измерения объёма и при пересчёте объёма депозита в реальный объём металла соединения.
Вязкость
500–1200 Па·с для трафаретных паст (измеряется вискозиметром — Malcolm или Brookfield), 150–500 Па·с для паст под дозирование.
Отдельно стоит тиксотропия — способность пасты разжижаться под давлением ракеля и восстанавливать вязкость в покое. Без неё паста либо не продавится через апертуру, либо растечётся под трафаретом и слипнется с соседними депозитами после сепарации.
Вязкость сильно реагирует на температуру: подъём на 5–10°C в цеху заметно её снижает и провоцирует slump-дефекты. Рабочий диапазон для зоны нанесения — 22–25°C ±2°C, а открытую банку с пастой держат подальше от источников тепла и сквозняков.
Металлосодержание
85–92% масс. для трафаретных паст, что соответствует 45–57% по объёму — разница из-за плотностей металла и флюса. Металлосодержание напрямую задаёт объём готового соединения: флюс при оплавлении испаряется или остаётся тонким слоем, и только металл формирует шов. Депозит 150 мкм при 88% металлосодержания даёт соединение высотой примерно 70–80 мкм.
Выше металлосодержание (91–92%) — больше объём соединения, но и выше вязкость, труднее наносить. Ниже (85%) — паста течёт легче, удобна для дозирования, но объём соединения меньше.
Что проверяет стандарт J-STD-005
- Slump test — депозиты на тест-купоне при 25°C и 150°C не должны растекаться и сливаться друг с другом.
- Solder ball test — оценка размера и количества шариков после оплавления.
- Wetting test — растекание расплавленного металла по контрольной поверхности.
- Tack — паста держит компонент при нормированном усилии отрыва.
- Viscosity — соответствие заявленному диапазону и совпадение показателей между партиями.
- Metal content — отклонение не больше ±0,5% от номинала.
- Particle size distribution — не более 10% частиц за пределами заявленного типа.
- Медная зеркальная коррозия — оценка коррозионного воздействия остатков флюса.
Производитель пасты обязан приложить TDS с результатами этих испытаний по J-STD-005A, и сверка TDS со стандартом — первое, что делают при квалификации нового материала для линии.
Контроль качества нанесения паяльной пасты
Контроль встаёт между трафаретным принтером и установщиком компонентов. Пропустить его — значит узнать о дефекте нанесения только после пайки, когда переделка стоит заметно дороже.
Что такое SPI
SPI (Solder Paste Inspection) — автоматическая 3D-инспекция нанесённой пасты. В отличие от обычного AOI, SPI смотрит на объём, высоту и форму депозита, а не только на его положение в плоскости — а именно эти параметры лучше всего предсказывают, каким получится паяное соединение.
Система фиксирует для каждого депозита объём (в мм³ или в процентах от номинала), высоту, площадь и форму поверхности — ровная или с выпуклостью/вогнутостью. Отклонение объёма больше ±25–30% от нормы — сигнал остановить принтер и разобраться с процессом. Статистика SPI хорошо ловит и постепенный дрейф: если средний объём депозита плавно снижается за смену, дело в загустевании пасты или засорении апертур, и вмешаться стоит раньше, чем это выльется в брак после пайки.
Практические рекомендации по трафаретной печати
Подготовка пасты. Банку достают из холодильника минимум за 2–4 часа до работы и держат закрытой при комнатной температуре — открывать раньше нельзя: конденсат насыщает пасту влагой, а на оплавлении это оборачивается выбросами и шариками. Перед нанесением пасту перемешивают 30–60 секунд лопаткой или на миксере. Первые два-три цикла печати с новой пастой удобно использовать как «разогрев» трафарета — паста прогревается и выравнивает вязкость по всей поверхности.
Нижняя сторона трафарета. Загрязнение здесь — частая и легко устранимая причина дефектов: паста, скопившаяся снизу, переносится на плату между апертурами и после оплавления даёт шарики или мостики. Автоматическую влажную очистку обычно ставят на каждые 10–20 циклов, а при мелком шаге до 0,5 мм или густой пасте — чаще. После каждой очистки первый-два цикла стоит проверить визуально или через SPI.
Температура в цеху. Подъём на 5°C заметно разжижает пасту — параметры, нормальные при 22°C, начинают давать slump уже при 27°C. При растекании пасты снижают скорость сепарации трафарета и давление ракеля. В цехах без климат-контроля параметры принтера стоит перепроверять в начале каждой смены и при резкой смене погоды за окном — некоторые производители паст даже выпускают летнюю и зимнюю версию состава с разной реологией.
Двунаправленная печать. При печати в обе стороны производительность растёт, но для некоторых ориентаций апертур появляется асимметрия переноса. На fine-pitch платах надёжнее однонаправленная печать с контролем диаметра вала пасты перед ракелем — 12–20 мм: маленький вал не даёт нужного давления заполнения, слишком большой перегружает пасту механически и портит её реологию.
