Voidless – bezporézní technologie pro pájené spoje

Když Jacques a Pierre Curie v roce 1880 objevili piezoelektrický jev, nikdo netušil, jak obrovský bude jeho význam v budoucnu, a to nejen pro konvenční aplikace, ale také pro vznik a rozvoj nových technologií. Dnes je běžná celá řada aplikací se součástkami, které využívají tento jev v oblasti elektroniky, například v polovodičové technice (tenzometry), ve vysokofrekvenční technice (např. obvody PAV), v lékařství (sonografy), ve vojenské technice a celé řadě aplikací pro regulaci a ovládání polohování, pohonů apod. Ale ukazují se i jeho další nové možnosti aplikací, kde jednou z nich je použití při vývoji nových technologií pro pájení elektronických sestav. Příkladem je aplikace u firmy Ersa, kde účinky tohoto jevu jsou využity pro minimalizaci výskytu voidů, které vznikají v průběhu procesu pájení ve spojích.

Jak probíhal vývoj

Na počátku byla myšlenka, jak nahradit nákladné vakuové procesy vyvinuté pro zlepšení jakosti stále menších pájených spojů nevakuovými, tedy méně nákladnými metodami. Ersa se rozhodla navázat na dlouholeté výsledky Fraunhoferova institutu v oblasti adaptroniky [1]. Tak vznikla společná studie možnosti zavést teoretické poznatky do praxe. Výsledky byly natolik zajímavé, že vedení firmy Ersa se rozhodlo je využít pro vývoj nové reflow pece s cílem dosáhnout výrazného snížení výskytu voidů. V průběhu vývoje byly prováděny analýzy procesních parametrů a již první výsledky naznačily, že dosud osvědčená technologie pájení přetavením v kombinaci s využitím nepřímého efektu piezoelektrického jevu přináší snížení výskytu voidů až na úroveň jednotek procent. Čas pro zveřejnění prvních výsledků nastal v závěru roku 2014, kdy byla tato nová technologie představena vybranému okruhu uživatelů. Vesměs pozitivní ohlasy potvrdily, že má smysl ve vývoji pokračovat, a výsledkem toho je nová přetavovací reflow pec Hotflow 3/20 využívající nově vyvinutou voidless technologii Ersa. Ukázalo se, že nepřímý piezoelektrický jev projevující se generací ultrazvukové energie má nezanedbatelný pozitivní vliv na fázi přetavení a chlazení, kde se rozhoduje o tvorbě voidů, a svým účinkem tak snižuje jejich výskyt v pájeném spoji.

Úsporná voidless technologie ve výrobní lince

Pájení je klíčovou operací při výrobě elektronických sestav. Se stále se snižujícími rozměry součástek jsou menší také pájené spoje a potom přítomnost voidů snižuje také stále výrazněji hmotnostní objem pájky ve spoji. Čím vyšší je procentuální přítomnost voidů ve spoji, tím horší jsou jeho elektrické i mechanické vlastnosti a také jeho spolehlivost.

Poněvadž je třeba zvažovat také energetickou bilanci, nabízí reflow pec Hotflow 3/20 (obr. 1) možnost volby mezi pouze konvenčním procesem pájení, kdy je modul voidless vypnut, a procesem pájení voidless. To přináší uživatelům ekonomickou flexibilitu výrobního procesu. Hlavní předností při využití modulu voidless se ukazuje možnost optimalizace fáze teploty nad liquidem. Zde je dosaženo dokonalejšího roztavení pájky, což přináší řadu výhod, jako jsou zajištění dobrého zapájení součástek s vyšší hmotností, nezávislost na geometrii DPS a obecně lepší smáčivost. Přitom k výraznému snížení počtu voidů, které může přesáhnout až 98 %, postačuje nastavení funkce modulu voidless jen na několik sekund.

Obr. 1  Reflow pec Hotflow 3/20

V procesu ověřování byly pozorovány kromě lepší smáčivosti také další přednosti, jako optimální vystřeďování součástek, vyloučení delaminace substrátu a omezení nárůstu tenze par v pouzdrech omezující požadavky na vlhkostní stabilizaci součástek. Z celkového pohledu lze považovat oproti vakuovým technologiím za pozitivní také nižší investiční a provozní náklady.

Využití v procesu oprav

Opravy, resp. výměny součástek na DPS, představují náročný a ekonomicky nákladný proces, s nímž se potýká většina potenciálních uživatelů. Proto Ersa aplikovala metodu voidless také pro vývoj nové opravárenské stanice HR 600/2 voidless (obr. 2), která nabízí komfortní postup výměny i těch nejnáročnějších součástek, jako jsou QFN, MLF, BTC apod.

Obr. 2  Opravárenské stanice HR 600/2 voidless

Celý postup výměny od odpájení vadné součástky přes nanesení pájecí pasty až po osazení probíhá automaticky, včetně zapájení nové součástky s využitím voidless technologie Ersa. I v tomto případě je množství voidů v pájených spojích zanedbatelné a dosahované výsledky splňují ty nejnáročnější požadavky jak na jakost, tak také na výkonost procesu oprav. Pozoruhodnou předností této opravárenské stanice je také možnost redukce voidů u již zapájených součástek. Tyto předem vytypované součástky jsou na principu selektivního pájení znovu přetaveny postupem využívajícím Ersa voidless technologii.

Shrnutí

Jak přetavovací reflow pec Hotflow 3/20, tak opravárenská stanice HR 600/2 voidless představují novou generaci zařízení pro pájení, jež přispívají nejen k vytváření pájených spojů s výrazným omezením voidů v pájených spojích pod 2 %, ale také přináší nezanedbatelný ekonomický přínos v podobě minimalizace nákladů na rework.

Literatura:
[1] www.adaptronik.fraunhofer.de/en/about/adaptronic/what_is.html
[2] www.kurtzersa.com/electronics-production-equipment/soldering-machines.html

Tento článek vzniknul ve spolupráci s IMAPS, česká a slovenská sekce.

m.duda@pbt.cz