Kodėl Litavimo Pasta Lemia PCB Surinkimo Kokybę
Gamykla A spausdino litavimo pastą ant 0402 komponentų plokščių naudodama Type 3 pastą su 0,10 mm trafareto angomis. Po perlydymo 12% jungčių turėjo tiltelius tarp gretimų padų — trumpieji jungimai sustabdė visą partiją peržiūrai. Gamykla B identiškam projektui parinko Type 4 pastą (mažesnės dalelės) ir padidino trafareto angų plotą iki 0,12 mm: defektų lygis nukrito iki 0,3%. Vienintelis skirtumas — pastos specifikacija.
50–70% visų SMT surinkimo defektų kyla iš spausdinimo etapo, ne iš komponentų padėjimo ar perlydymo. Litavimo pasta yra pirmoji ir kritinė proceso grandis: netinkama sudėtis, blogas laikymas ar neteisinga trafareto konfigūracija sukelia šaltąsias jungtis, tiltelius, tuštumas ir neprilipusius komponentus.
"Per 15 metų darbo su PCB surinkimu esu įsitikinęs vienu dalyku: jei litavimo pasta parinkta teisingai ir spausdinama kontroliuojamomis sąlygomis, 80% kokybės problemų tiesiog neįvyksta. Pasta yra pamatas — viskas kita statoma ant jos." – Hommer Zhao, PCB Lithuania įkūrėjas
Kas Yra Litavimo Pasta ir Kaip Ji Veikia
Litavimo pasta yra tiksli metalinių dalelių ir fliuso mišinys, naudojamas paviršinio montavimo (SMT) technologijoje. Pagal IPC J-STD-005 standartą, pasta susideda iš 88–90% metalo svorio dalimis ir 10–12% fliuso.
Metalo dalelės suformuoja fizinę jungtį tarp komponento ir PCB pado po perlydymo (reflow) proceso. Fliusas atlieka tris funkcijas: pašalina oksidus nuo metalinių paviršių, sumažina paviršiaus įtempimą lituojant ir laikinai fiksuoja komponentus vietoje prieš perlydymą.
Litavimo Pastos Veikimo Etapai
- Spausdinimas — pasta dengiama ant PCB padų per trafaretą (stencil)
- Komponentų padėjimas — SMT mašina stato komponentus ant pastos
- Perlydymas — pjezoelektrinėje krosnyje pasta pereina 4 temperatūros zonas
- Atvėsimas — metalas sukietėja, suformuodamas galutinę jungtį
Visa SMT surinkimo linija priklauso nuo šio proceso tikslumo.
Litavimo Pastos Lydiniai: SAC305 vs SnPb vs Žemos Temperatūros
SAC305 — Pramonės Standartas Be Švino
SAC305 (96,5% alavo, 3,0% sidabro, 0,5% vario) yra dominuojantis bešvinis lydinys pasaulinėje elektronikos gamyboje. Jo lydymosi temperatūra siekia 217–220°C, o mechaninis stiprumas 15% viršija tradicinį SnPb lydinį.
Europos Sąjungos RoHS direktyva nuo 2006 m. reikalauja bešvinės litavimo pastos visiems vartojimo elektronikos gaminiams. SAC305 atitinka šiuos reikalavimus ir yra rekomenduojamas IPC kaip standartinis SMT surinkimo lydinys.
SnPb (Sn63/Pb37) — Karinė ir Kosmoso Pramonė
Alavo-švino lydinys Sn63/Pb37 lydosi ties 183°C — 37°C žemiau nei SAC305. Žemesnė temperatūra reiškia mažesnį terminį stresą jautriems komponentams ir paprastesnį perlydymo profilio valdymą.
SnPb pasta vis dar naudojama ten, kur RoHS netaikomas: karinėje, kosmoso ir tam tikroje medicinos įrangoje. Ji taip pat populiari prototipų gamyboje dėl atlaidesnio proceso lango.
Žemos Temperatūros Lydiniai (SnBi, SnBiAg)
SnBi lydiniai (Sn42/Bi58) lydosi ties 138°C — beveik 80°C žemiau nei SAC305. Tai leidžia lituoti temperatūrai jautrius komponentus: LED modulius, lanksčias PCB ir kai kuriuos jutiklius.
| Lydinys | Lydymosi temp. | Mechaninis stiprumas | Kaina | Pritaikymas |
|---|---|---|---|---|
| SAC305 | 217–220°C | Aukštas | Bazinė | 90% vartojimo ir pramoninės elektronikos |
| Sn63/Pb37 | 183°C | Vidutinis | –15% | Karinė, kosmoso, prototipai |
| SAC105 | 217°C | Vidutinis-žemas | –10% | Didelės apimties vartojimo gaminiai |
| SnBi58 | 138°C | Žemas | +20% | LED, lanksti PCB, temperatūrai jautrūs komponentai |
| SnBiAg | 139°C | Vidutinis | +30% | Aukštesnio patikimumo žemos temp. taikymai |
"SAC305 tinka 90% projektų, kuriuos surenkame. Bet kai klientas atsiunčia lanksčią PCB su 0,3 mm padais ir temperatūrai jautriais sensoriais — SnBi lydinys yra vienintelis būdas išvengti delaminacijos. Lydinio parinkimas pagal projektą, ne pagal įprotį." – Hommer Zhao, PCB Lithuania įkūrėjas
Fliuso Tipai: No-Clean, Vandeniu Plaunamas ir Kanifolinis
Fliusas sudaro 10–12% pastos masės, bet jo pasirinkimas tiesiogiai veikia surinkimo procesą, valymą ir galutinio produkto patikimumą.
No-Clean Fliusas — Populiariausias Pasirinkimas
No-clean fliusas palieka minimalius, elektrai neaktyvius likučius po perlydymo. Tai elimina valymo etapą ir sumažina gamybos laiką 15–20%. Pagal IPC J-STD-004B klasifikaciją, no-clean fliusai patenka į ROL0 ir REL0 kategorijas (žemas aktyvumo lygis).
Kada tinka: 95% standartinių vartojimo ir pramoninių elektronikos gaminių, kur vizualinė likučių tolerancija priimtina.
Kada netinka: aukštos įtampos plokštės (>500V), aukšto dažnio RF grandinės, kur bet kokie likučiai gali sukelti nuotėkio sroves.
Vandeniu Plaunamas Fliusas
Vandeniu plaunamas (water-soluble) fliusas turi stipresnę oksidų šalinimo gebą nei no-clean. Tai reiškia geresnį drėkinimą ant sunkiai lituojamų paviršių — pavyzdžiui, ENIG ar OSP padengų, kurios buvo sandėliuotos ilgiau nei 6 mėnesius.
Trūkumas: privalomas valymas po perlydymo. Likučiai yra koroziniai ir gali sugadinti plokštę per kelias dienas, jei nepašalinti. Valymo procesas reikalauja DI vandens sistemos su uždaruoju ciklu.
Kanifolinis (Rosin) Fliusas
Kanifolinis fliusas yra seniausia technologija, vis dar naudojama rankiniam litavimui ir tam tikruose banginio litavimo procesuose. Mažiau populiarus SMT spausdinimui dėl trumpesnio darbo laiko (pot life) ir lipnesnės konsistencijos.
| Fliuso tipas | Valymas reikalingas? | Aktyvumo lygis | Likučių poveikis | Kaina |
|---|---|---|---|---|
| No-clean (ROL0) | Ne | Žemas | Minimalus, neaktyvus | Bazinė |
| Vandeniu plaunamas (ORL1) | Taip, privalomas | Aukštas | Korozinis, jei nevalytas | +5–10% |
| Kanifolinis (ROL1) | Rekomenduojamas | Vidutinis | Lipnus, bet neaktyvus | –5% |
Dalelių Dydžio Klasifikacija: Type 3, 4, 5 ir Mažiau
Metalo dalelių dydis tiesiogiai lemia, kokio smulkumo komponentus galite montuoti. IPC J-STD-005 standartizuoja 8 dalelių dydžio tipus (Type 1–8), bet praktikoje naudojami Type 3–5.
Type 3 (25–45 μm) — Standartas
Type 3 pasta tinka komponentams iki 0603 (1608 metrikoje) dydžio ir padų žingsniui iki 0,5 mm. Tai ekonomiškiausias pasirinkimas standartiniam PCB surinkimui, kur smulkiausias komponentas yra 0603 rezistorius ar QFP su 0,5 mm žingsniu.
Type 4 (20–38 μm) — Smulkūs Komponentai
Type 4 reikalingas, kai projektas apima 0402 komponentus, QFN pakuotes ar BGA su žingsniu mažesniu nei 0,4 mm. Mažesnės dalelės geriau užpildo siauresnias trafareto angas ir mažina tiltelių riziką.
Type 5 (15–25 μm) — Mikro BGA ir 0201
Type 5 skirtas 0201 komponentams ir mikro BGA (<0,3 mm žingsnis). Kaina 30–50% didesnė nei Type 3 dėl sudėtingesnio miltelių gamybos proceso. Naudojamas HDI PCB surinkimui su itin tankiais komponentais.
| Tipas | Dalelių dydis (μm) | Minimalus padas | Tipinis taikymas | Kaina vs Type 3 |
|---|---|---|---|---|
| Type 3 | 25–45 | 0,25 mm | 0603+, QFP 0,5 mm | Bazinė |
| Type 4 | 20–38 | 0,20 mm | 0402, QFN, BGA 0,4 mm | +10–15% |
| Type 5 | 15–25 | 0,15 mm | 0201, mikro BGA | +30–50% |
| Type 5.5 | 10–25 | 0,10 mm | 01005, itin tankūs moduliai | +60–80% |
Laikymo Sąlygos ir Galiojimo Laikas
Litavimo pasta yra laikui jautri medžiaga. Netinkamas laikymas sukelia fliuso atsiskyrimą, metalo oksidaciją ir reologijos pokyčius — visa tai tiesiogiai veikia spausdinimo kokybę.
Temperatūra ir Drėgmė
Standartinė laikymo temperatūra: 2–10°C (šaldytuvas, NE šaldiklis). Laikymas kambario temperatūroje sutrumpina galiojimo laiką nuo 6 mėnesių iki 2–4 savaičių. Prieš naudojimą pasta turi pasiekti kambario temperatūrą (20–25°C) — tai užtrunka 2–4 valandas.
Drėgmės ribos: santykinis oro drėgnis gamybos patalpoje turi būti 40–60% RH. Žemiau 30% RH pasta per greitai džiūsta ant trafareto; virš 70% RH fliusas absorbuoja drėgmę ir blogina litavimo kokybę.
Darbo Laikas (Pot Life ir Stencil Life)
| Parametras | Tipinė vertė | Ką reiškia |
|---|---|---|
| Galiojimo laikas (šaldytuve) | 6 mėnesiai | Nuo gamybos datos iki naudojimo pabaigos |
| Darbo laikas (pot life) | 8–12 valandų | Laikas nuo atidarymo iki naudojimo pabaigos |
| Trafareto laikas (stencil life) | 4–8 valandos | Kiek laiko pasta veikia ant trafareto |
| Šildymo laikas | 2–4 valandos | Nuo šaldytuvo iki kambario temperatūros |
Kritinė klaida: niekada negrąžinkite panaudotos pastos atgal į šviežią indelį. Tai užteršia visą partiją oksidais ir drėgme.
Trafareto Projektavimas: Pamatas Tiksliam Spausdinimui
Trafaretas (stencil) kontroliuoja pastos kiekį ant kiekvieno PCB pado. Jo storis, angų dydis ir forma tiesiogiai lemia jungties kokybę.
Trafareto Storio Parinkimas
| Storis | Taikymas | Pastos kiekis |
|---|---|---|
| 0,08 mm | 0201, mikro BGA, Type 5 pasta | Minimalus |
| 0,10 mm | 0402, QFN, smulkus žingsnis | Mažas-vidutinis |
| 0,12 mm | 0603+, standartinis SMT | Standartinis |
| 0,15 mm | Didelės jungtys, THT pasta | Didelis |
Angų Dydžio Taisyklės
Ploto santykio taisyklė: trafareto angos plotis turi būti mažiausiai 1,5× didesnis nei trafareto storis. Santykis mažesnis nei 1,5 reiškia, kad pasta neišeina iš angos ir lieka ant trafareto sienelių.
Perdengimo (paste release) efektyvumas: angų šoniniai paviršiai turi būti elektropoliruoti ar lazeriu apdirbti. Šiurkštūs kraštai sulaikė 15–30% pastos kiekio.
7 Dažniausios Litavimo Pastos Klaidos
1. Netinkamas Pastos Tipas Smulkiems Komponentams
Naudojant Type 3 pastą 0402 komponentams su 0,10 mm trafareto angomis, stambesnės dalelės blokuoja angas ir sukelia netolyginį padengimą. Sprendimas: pereiti prie Type 4 arba Type 5.
2. Pasta Nenaudojama Iškart po Šildymo
Jei pasta pasiekė kambario temperatūrą ir nebuvo panaudota per 8 valandas, fliusas pradeda oksiduotis. Rezultatas: blogėja drėkinimas ir atsiranda šaltosios jungtys. Planuokite gamybą taip, kad pasta būtų panaudota per darbo laiką.
3. Neteisingas Trafareto Storis
Per storas trafaretas (0,15 mm) ant smulkių padų sukelia tiltelius tarp gretimų jungčių. Per plonas (0,08 mm) ant didelių padų palieka per mažai pastos — jungtys silpnos ir trapios.
4. Spausdinimo Slėgio Perkrova
Per didelis raklio (squeegee) slėgis stumia pastą per trafareto angas ir ant plokštės kraštų. Optimalus slėgis: 0,3–0,5 kg/cm raklio ilgio. Greitis: 25–50 mm/s.
5. Perlydymo Profilio Neatitikimas
SAC305 reikalauja piko temperatūros 235–250°C su 30–90 sekundžių buvimu virš 217°C (TAL — Time Above Liquidus). SnBi lydiniui piko temperatūra turi būti tik 170–180°C. Lydiniui netinkamas profilis sukelia šaltąsias jungtis arba pakeltus komponentus (tombstoning).
6. Drėgna Gamybos Aplinka
Drėgmė virš 70% RH sukelia fliuso absorbciją ir mikro burbuliukus perlydymo metu. Tai matoma kaip tuščios ertmės (voids) BGA kamuoliukuose — rentgeno inspekcija atskleidžia ertmes, kurios viršija IPC-A-610 Class 2 ribą (25% pado ploto).
7. Pastos Maišymas su Skirtingais Lydiniais
Maišant SAC305 likučius su SnPb pasta sukuriamas nekontroliuojamas lydinys su netiksliu lydymosi tašku. Rezultatas: neprognozuojama jungčių kokybė ir padidintas defektų lygis. Kiekvienas lydinys turi turėti atskirą indelį ir trafaretą.
"Dažniausia klaida, kurią matau naujuose projektuose — Type 3 pasta ant 0402 komponentų. Tai tarsi bandytumėte piešti plona linija storu teptuku. Pastos tipas turi atitikti komponentų dydį, kitaip spausdinimo kokybė bus atsitiktinė." – Hommer Zhao, PCB Lithuania įkūrėjas
Litavimo Pastos Pasirinkimo Algoritmas
Teisingas pasirinkimas priklauso nuo trijų faktorių: komponentų dydžio, reguliacinių reikalavimų ir gamybos aplinkos.
Žingsnis 1: Nustatykite Lydinio Tipą
- Vartojimo elektronika, ES rinka → SAC305 (RoHS privalomas)
- Karinė, kosmoso, tam tikra medicinos → SnPb (RoHS išimtis)
- LED, lanksti PCB, temperatūrai jautrūs → SnBi arba SnBiAg
Žingsnis 2: Parinkite Dalelių Tipą
- Smulkiausias komponentas 0603+ → Type 3
- Turi 0402 ar QFN → Type 4
- Turi 0201 ar mikro BGA → Type 5
Žingsnis 3: Pasirinkite Fliuso Tipą
- Standartinė gamyba, nereikia valyti → No-clean
- Aukšto patikimumo, valymas priimtinas → Vandeniu plaunamas
- Sunkiai lituojami paviršiai (sena OSP, ENIG) → Vandeniu plaunamas
Kokybės Kontrolė: Kaip Tikrinti Litavimo Pastos Spausdinimą
SPI (Solder Paste Inspection) Sistema
SPI mašina tikrina kiekvieną plokštę po spausdinimo ir prieš komponentų padėjimą. Ji matuoja tris parametrus:
- Pastos tūris — turi atitikti ±25% nuo nominalaus (IPC-A-610 Class 2)
- Pastos aukštis — turi atitikti ±15% nuo trafareto storio
- Pastos padėtis — poslinkis nuo pado centro neviršija 25% pado pločio
Gamykloje, kurioje SPI sistema atmetė 2% plokščių spausdinimo etape, galutinis defektų lygis sumažėjo nuo 1 200 ppm iki 180 ppm — 6,7 karto pagerėjimas.
Vizualinė Kontrolė
Jei SPI sistemos nėra, vizualinė kontrolė pagal IPC-A-610 standartą tikrina: tolygų padengimą, aiškius kraštus, nebuvimą tiltelių ar tuščių padų. Bet vizualinė kontrolė negali matuoti tūrio — tai SPI pranašumas.
DUK (Dažnai Užduodami Klausimai)
Kokią litavimo pastą pasirinkti 0402 komponentams ant HDI plokštės? Type 4 SAC305 pasta su no-clean fliusu ir 0,10 mm trafaretu. Type 3 nerekomenduojama — per stambios dalelės blokuos trafareto angas ir sukels netolyginį padengimą. Jei plokštėje yra ir 0201 komponentų, reikės Type 5.
Ar galiu naudoti SnPb pastą vartojimo elektronikai ES rinkoje? Ne. RoHS direktyva draudžia šviną vartojimo elektronikoje nuo 2006 m. Išimtys taikomos tik medicinos implantams, karinei ir kosmoso įrangai bei tam tikroms automobilių dalims. Už pažeidimą gresia iki 2% metinės apyvartos bauda.
Mano litavimo pasta atskyrė fliusą nuo metalo — ar galima dar naudoti? Jei pasta laikyta šaldytuve ir nepasibaigęs galiojimo laikas — taip, po kruopštaus maišymo 2–3 minutes su automatine maišykle (ne rankomis). Jei pasta buvo kambario temperatūroje ilgiau nei 24 valandas — ne, fliuso cheminės savybės pasikeitusios negrįžtamai.
Kiek litavimo pastos reikia 1000 PCB partijai? Tai priklauso nuo plokštės dydžio ir komponentų skaičiaus. Orientacinė formulė: viena 500g indelis padengia 800–1200 standartinio dydžio (100×100 mm) plokščių su vidutiniu komponentų tankiu. Pradėkite su vienu indeliu ir sekite sunaudojimą.
Kaip žinoti, ar mano perlydymo profilis teisingas konkrečiai pastai? Kiekvienas pastos gamintojas pateikia rekomenduojamą perlydymo profilį techniniame lape. SAC305 standartinis profilis: pašildymas 1,5–2°C/s, mirkymas 150–200°C per 60–90 s, pikas 235–250°C, TAL 30–90 s. Naudokite termoporas ant realios plokštės profiliui patikrinti.
Ar verta investuoti į SPI sistemą mažai gamybai? Jei gaminate mažiau nei 100 plokščių per dieną, pilna SPI sistema (€40 000–80 000) gali būti per brangi. Alternatyva: mobili 2D SPI sistema (€8 000–15 000) arba statistinis tikrinimas kas 10-ąją plokštę su SPI nuoma.
Reikia pagalbos parenkant litavimo pastą jūsų projektui? Susisiekite su PCB Lithuania komanda — mūsų inžinieriai rekomenduos optimalų lydinį, fliuso tipą ir trafareto konfigūraciją pagal jūsų BOM ir kokybės reikalavimus.
Nuorodos:
