Повышение надежности пайки SMT в автомобильной электронике: исследование проблем многочиповых модулей

Тренд на миниатюризацию электронных изделий приводит к усложнению их структуры, что способствует распространению многочиповых модулей. Появление основных модулей (core module) создает новые вызовы для поверхностного монтажа (SMT). Однако в новых продуктах возникают проблемы: ложная пайка и непрерывное осаждение олова, вызванные большими размерами подложки и тепловыми эффектами.

Исследование надежности пайки SMT схемного модуля

Ложная пайка — это состояние, когда оловый слой не полностью покрывает поверхность спаиваемых элементов, не образуется металлический сплав между пайной площадкой компонента и контактной площадкой (PAD), механическое напряжение может ослабить контакт, а минимальная высота точек пайки меньше 25% от суммы минимальной высоты точки пайки и паяемой высоты.

Частые причины ложной пайки: плохое качество паяльной пасты, состав флюса, оксидный слой на выводах компонентов, дефектное покрытие контактных площадок, неправильные параметры пайки и нестабильная рефлоу-пайка.

Анализ причин проблем

Анализ подложки основного модуля

Основные параметры, характеризующие свойства материала подложки печатной платы: Tg (температура стеклования), CTE (коэффициент термического расширения) и Td (температура расслоения).

На ранней стадии разработки в качестве материала подложки основного модуля использовался FR-4 Tg150 (материал >145) с относительно толстым слоем паяльной маски на нижней стороне подложки. В процессе рефлоу-пайки из-за низкого Tg возникала легкая деформация изгиба, снижающая надежность пайки при второй рефлоу-пайке и приводящая к ложной пайке.

Анализ количества паяльной пасты

Согласно нормальным технологическим требованиям, толщина трафарета должна составлять 0,13 мм, такой же толщины слой паяльной пасты на контактных площадках основного модуля после печати. Из-за деформации модуля в процессе пайки возникали ложная пайка и низкая надежность, создающие риски качества.

Эксперимент по улучшению

Материал подложки и планирование эксперимента

Материал подложки — один из ключевых элементов, влияющих на надежность изделия. В ранних продуктах применялся FR-4 Tg150 (материал >145) с низкой стоимостью. В начале эксперимента FR-4 Tg170 (материал >175) использовался в качестве замены FR-4 Tg150 благодаря более высокой надежности.

Необходима переработка паяльной маски на нижней стороне подложки: уменьшение её толщины и улучшение качества материала для гарантии качества паяльной маски и исключения влияния на надежность второй рефлоу-пайки.

Планирование эксперимента по вырезам трафарета

На начальном этапе проектирования трафарета его толщина составляла 0,13 мм из-за компонентов QFP с шагом выводов 0,5 мм на печатной плате. При первом производстве у основного модуля с толщиной паяльной пасты 0,13 мм возникала ложная пайка, поэтому толщину трафарета увеличили до минимальной стандартной — 0,15 мм. При этом отношение выреза трафарета и расширенного отверстия было 1:1,2, качество не улучшилось. Тогда применили специальный каскадный трафарет, увеличив его толщину с 0,15 мм до 0,3 мм для обеспечения достаточного количества паяльной пасты на монтажных площадках модуля.

Применялись различные схемы эксперимента с каскадным трафаретом; наиболее рациональные показаны ниже:

• Схема А: толщина всей области модуля увеличена на 0,3 мм, толщина области с мелким шагом неизменна.
• Схема Б: область с увеличенной толщиной на 4 мм меньше, чем в схеме А, толщина увеличена на 0,3 мм, толщина отверстий площадок неизменна.

После опытного производства и сравнения схем А и Б выявлено непрерывное осаждение олова в позиции резистивной сборки; сделан вывод, что схема Б лучше.

Эксперимент по улучшению технологического процесса

Перед входом в рефлоу-печь необходимо выполнить дозирование геля; позиции фиксируются за счет твердения и усадки геля, что эффективно уменьшает деформацию и смещение подложки модуля при пайке.

Результаты эксперимента

Благодаря комплексу мер — улучшению дизайна трафарета, перевыбору и позиционированию материала печатной платы, совершенствованию технологического процесса — количество паяльной пасты и высота подъема олова в основном модуле при пайке достигли стандарта IPC. Доля брака процесса основного модуля резко снизилась с 686 PPM до 23 PPM, обеспечив надежность продукции. Данные в таблице ниже наилучшим образом иллюстрируют результат.

Результат	Материал подложки	Объем производства	Число тестовых точек	Тип дефекта	Число дефектов	Число бракованных	Доля брака (PPM)
Начальное опытное производство	Tg150	50	43750	Ложная пайка основного модуля	20	20	457
				Непрерывное осаждение олова основного модуля	0	0	0
				Сумма	20	20	457
Результат первого улучшения (схема А)	Tg170	50	43750	Ложная пайка резистивной сборки	0	0	0
				Непрерывное осаждение олова резистивной сборки	30	30	686
				Сумма	30	30	686
Результат второго улучшения (схема Б)	Tg170	50	43750	Ложная пайка основного модуля	1	1	23
				Непрерывное осаждение олова основного модуля	0	0	0
				Сумма	1	1	23

Заключение

Применение основных модулей ускоряет разработку и обновление автомобильной электроники. На стадии новых продуктов возможно перенесение разработки, снижая затраты и сложность. Однако на ранней стадии опытного производства из-за крупных размеров основного модуля и высоких требований к технологическому процессу возникают дефекты, снижающие надежность и мешающие применению модуля.

Являясь печатной платой, основной модуль проходит серию процессов: высокотемпературная рефлоу-пайка, хранение, повторная высокотемпературная рефлоу-пайка. В процессе возникают деформация платы, ложная пайка и непрерывное осаждение олова. Эти проблемы успешно решены экспериментально и в опытном производстве, открывая возможности для широкого применения основных модулей и ускоряя модульное проектирование автомобильной электроники.

Полезные ресурсы:
• Факторы, влияющие на качество пайки SMT, и меры улучшения
• Свойства и особенности проектирования автомобильных печатных плат
• 5 советов по проектированию автомобильных схем для борьбы с EMI
• 5 проверенных способов оценки надежности производителей автомобильных печатных плат
• Полезные методы оценки возможностей сборщика SMT
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценных опций
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки