Bezolovnaté spájkovanie

V snahe o globálne zvládnutie nežiaducich environmentálnych problémov vznikajúcich pri snahe o rast životnej úrovne (rozvoja) ľudskej populácie najmä prostredníctvom rastu priemyselnej a poľnohospodárskej výroby, vznikla na pôde OSN iniciatíva smerujúca ku dosiahnutiu trvale udržateľného rozvoja (Sustainble Development), ktorá prešla viacerými úpravami a legislatívnymi etapami.

Na plnenie týchto požiadaviek je potrebné prijať viaceré opatrenia týkajúce sa technológie spájkovania a procesov ovplyvňujúcich spájkovanie, výberu použitých materiálov s ohľadom na ich materiálové a spracovateľské vlastnosti.

Komponenty, materiály a technologické postupy

Dosky plošných spojov

Ukázalo sa, že najlepšie výsledky sa dosahujú používaním laminátov typu FR 3 a FR 4, bežne sa používa dokonca aj FR 2. S cenou tu teda problém nebude. Keďže časy ohrevu (doba kontaktu) sú pri spájkovaní vlnou 2,3 s až 3,3 s (jednostranná DPS) resp. 3,3 s až 4,6 s (obojstranná DPS) je ich teplotná odolnosť dostatočná aj pre LF spájkovanie.

a) Spájkovacie masky
Materiály na spájkovacie masky nie sú ešte dostatočne v praxi LF preverené. Veľmi dôležitá je pri tom konštrukcia šablón a dizajn dosiek.

b) Úprava povrchu
Keďže pri LF je slabšia zmáčavosť spájok typickým znakom procesu, je vítanou úpravou obrazca spojov na DPS ich následné pokovenie. Najlepšia, takmer 100 %-ná roztekavosť sa dosahuje pri pokovení NiAu. Okrem toho sa ešte používajú pokovenia chemicky vylúčeným Ag a Sn.

Tavidlá

Musia bojovať s väčšou vrstvou oxidov. Musia byť teda aktívnejšie, musia byť teplotne odolnejšie, lebo procesné teploty sú vyššie a doba pobytu na vyšších teplotách je dlhšia ako pri Pb procese.

Výsledkom je zvýšenie rizika mostíkov a špičiek, lebo aktivátor je už pri výstupe DPS z kúpeľa spotrebovaný. Používajú sa preto vysokoaktívne vodné tavidlá, ktoré sú ihneď aktívne a majú nižšiu mernú hmotnsť.

Proces tlače

Pri nanášaní spájkovacej pasty pre Reflow proces sú najdôležitejšie tieto parametre:

1. Snapp off at „Zero“, ak je nenulová vzdialenosť medzi šablónou a doskou môže pri „fine pitch“ dochádzať ku skratom,

2.Dwell Height a Lift Height, znamená vzdialenosť stierky od šablóny, teda aj prítlak na šablónu,

3.Printing Speed (rýchlosť tlače) je funkciou štruktúry pasty (0,6 kg/inch),
4. Release speed (rýchlosť zdvíhania) je funkciou reológie pasty,
5. Accurate printing je pri LF veľmi dôležitý parameter. Zatiaľčo pri Pb spájkovaní sa pri pretavení vplyvom povrchového pnutia vráti pasta na plôšky, pri LF spájkovacích pastách tomu tak nie je. To znamená pri „Fine Pitch“ nebezpečenstvo vzniku prepojení,

6. Component Placement je tiež dôležitým parametrom, pretože pri ľahkých súčiastkach sa tieto po pretavení „vrátia“ vplyvom povrchového napätia nad plôšku ale pri väčších štruktúrach ako sú BGA a QFP sa pri odchýlke nad 300 μm toto „samocentrovanie“ nekoná.

Spájky

Procesné okno je veľmi premenlivé a je kompromisom teplotnej odolnosti materiálov a spájkovacej teploty použitej spájky a ostatných procesných obmedzení.

a) Teplotná odolnosť súčiastok
V súčasnej technologickej praxi je teplotná odolnosť jednotlivých skupín súčiastok j zvyčajne uvažovaná takáto:

• LCD	80°C
• Kondenzátory	225°C
• BGA	230°C
• Q-Pack	260°C
• DPS	280°

b) Spájkovacie teploty pri použití zliatiny typu SAC
Najpoužívanejším LF kompozitom, nahradzujúcim Sn60Pb eutektickú spájku je zliatina označovaná ako SAC (SnAgCu). Pre jednotlivé spôsoby ohrevu sú v prípade jej použitia teplotné požiadavky tieto:

• vlna	245°C – 250°C
• pary	230°C
• reflow	230°C – 235°C
• selektívna vlna	260 °C – 290°C

c) Procesné obmedzenia
Existujú však aj ďalšie procesné obmedzenia, z ktorých sú najdôležitejšie:
• teplotné gradienty na súčiastkach,
• zmáčacie vlastnosti vývodov súčiastok a spájkovacích plošiek,
• maximálna teplota laminátu (má byť pod T_g),
• delaminačné problémy systému laminát – plôška,
• kontaminácia spájky pri spájkovaní vlnou (Pb a iné kovy).

Povrchové spájkovateľné vrstvy súčiastok a DPS

Napriek alternatívnym technikám (zváranie, lepenie elektricky vodivými lepidlami) bude aj v budúcnosti mäkké spájkovanie stále najrozšírenejším technologickým postupom pri spájaní konštrukčných prvkov do montážnych skupín a zariadení.

Kvôli spájkovateľnosti sa vývody súčiastok a spájkovacie plochy na DPS pokovujú. Najrozšírenejším spôsobom je galvanické pokovovanie, menej časté je bezprúdové pokovovanie vylúčením povlaku z chemického roztoku.

Doposiaľ používané povrchové vrstvy obsahujúce olovo budú musieť byť v budúcnosti nahradené bezolovnatými povlakmi.

^{Autor: Kopča M., Kategra elektrotechnológie FEI STU, Bratislava}