Получение качественных паяных соединений с уменьшенным образованием пустот при монтаже светодиодов на платы с металлическим основанием. Результаты теста на наличие и количество пустот

Результаты теста на наличие и количество пустот

Полученные данные проанализированы по двум переменным (диэлектрик А и B) и паяльным пастам. Результат представлен в виде графика на рисунке 7.

Рис. 7. Вероятность образования пустот

Из данного графика видно, что тип диэлектрика практически не оказывает влияния на образование пустот для различных сплавов паяльных паст, использованных при монтаже на MCPCB. В то же время, паяльная паста оказывает существенное влияние на образование пустот. Например, в случае использования сплава Maxrel™ среднее количество пустот – около 15%, а при использовании пасты SAC305 – менее 9%. На рисунке 8 изображен график распределения вероятностей образования пустот в зависимости от типа диэлектрика. Он показывает, что тип диэлектрика не имеет практически никакого влияния на количество пустот и имеет такие же средние значения (10,5 и 10,7% пустот) и разброс для обоих типов паст.

Рис. 8. Распределение пустот в зависимости от типа диэлектрика

На рисунке 9 показано распределение пустот в зависимости от используемого диэлектрика при различных типах паст. Также прослеживается значительно большее влияние сплава паяльной пасты по сравнению с типом диэлектрика, но есть незначительные различия в зависимости от типа сплава пасты. Так для паст со сплавами Maxrel™ и SAC305 диэлектрик типа B дает меньшее образование пустот, а сплавы SACX Plux™ 0807 и SnBiAg показывают лучшие результаты с диэлектриком типа А. Наименьшие показатели образования пустот из четырех рассматриваемых паст наблюдаются у сплава SAC305. Стоить заметить, что все пасты, дающие менее 20% пустот, соответствуют второму классу по пустотообразованию согласно стандарту IPC.

Рис. 9. Распределение пустот в зависимости от типа диэлектрика и сплава пасты

На рисунке 10 показано распределение размеров пустот, в процентах от общей площади паяного соединения. Из этого графика видно, что более 90% пустот имеют размеры от 0 до 4% от общей площади точки пайки, под нулем (ZERO) на графике принят размер пустот менее 0,005%.

Рис. 10. Распределение размеров пустот в точках пайки

На рисунках 11 и 12 показаны гистограммы распределения средних и максимальных размеров пустот как функции от типа сплава пасты и типа диэлектрика.

Рис. 11. Распределение средних значений размеров пустот

Для всех типов паст диэлектрик MCPCB типа А показал меньшие значения средних и максимальных размеров пустот по сравнению с диэлектриком типа B. Низкая температура плавления сплава SnBiAg дает в итоге минимальные значения, как для среднего размера пустот, так и для их максимального значения. При рассмотрении максимальных значений размеров пустот припои со сплавами SAC305 и SnBiAg дают одинаковые величины, примерно 10 – 13% от размера точки пайки.

Рис. 12. Распределение средних значений размеров пустот

Таблица 4 показывает типичное распределение пустот в паяных соединениях и соответствующий процент пустот для каждой из паст в сочетании с обоими диэлектриками.

Таблица 4. Рентгеновские снимки спаянных модулей

Выводы и заключение

В результате исследования различные пасты были протестированы на предмет образования пустот в паяных соединениях после процесса оплавления. Исследование затронуло четыре вида сплавов, доступных на свободном рынке, и два вида диэлектриков, используемых для изоляции металлических подложек MCPCB от токопроводящего слоя. Пасты со сплавом SAC305 имеют после оплавления минимальный процент пустот в паяных соединениях для обоих видов диэлектриков. Эти пасты известны своими выдающимися показателями по сопротивлению к образованию пустот в паяных соединениях, в чем значительную роль играет также применяемый флюс, но это предмет отдельного рассмотрения.

Влияние диэлектрика MCPCB на пустотообразование также было отмечено, причем в двух случаях лучшие показатели были у диэлектрика А (для паст на сплавах SACX Plus™ 0807 и SnBiAg), в двух остальных (пасты на основе сплавов SAC305 и Maxrel™) – меньше пустот наблюдалось при использовании диэлектрика B. При сравнении средних и максимальных значений размеров полостей в паяных соединениях все пасты показали отличные результаты, превышающие требования IPC Class 2 по пустотообразованию, однако, низкотемпературная паста на основе сплава SnBiAg показала наименьшие размеры пустот.

Таким образом, для всех паст и диэлектриков, участвовавших в нашем исследовании, более 90% всех полостей имеют размер от 0 до 4% от площади всей паяной поверхности, в сумме не превышая 20% от нее. Паста со сплавом SAC305 в комбинации с диэлектриком В дала минимальное количество пустот – менее 8,5%.

Все собранные и спаянные изделия успешно прошли последующие электрические измерения, испытания прочности на отрыв, тестирование тепловыми ударами и термоциклированием и прочие испытания.

На основе данных исследований компания Cookson Electronics (т.м. Alphametals) разработала линейку паяльных паст Lumet®, объединяющих пасты для производства изделий широкого спектра применений – от домашних, имеющих минимум требований к «стрессоустойчивости» сборок, до автомобильной промышленности (в т.ч. для монтажа светодиодных фар и фонарей), работающих в экстремальных условиях по температуре и влажности. Продуктовая линейка включает в себя четыре паяльных пасты:

• Lumet™ P33. Паста для ответственных применений и для использования в тяжелых условиях, на основе сплава SAC305, может применяться на подложках из FR4 и MCPCB
• Lumet™ P34. Также паста на основе SAC305, имеющая максимальную гибкость при выборе термопрофиля и возможность пайки на керамической подложке
• Lumet™ P39. Имеет два варианта, отличающихся сплавами: 
  – на основе Maxrel™ – максимально надежная паста для использования в агрессивной внешней среде, экстремальных температурных условиях, в т.ч. в автомобильной промышленности 
  – на основе SACX Plus™ 0807 – для производства приборов внутреннего освещения
• Lumet™ P52. Паста, применяющаяся для производства бытовых осветительных приборов, имеющих рабочие температуры не более 85°С.

Список использованных источников:

1. LUXEON® Rebel Board Design and Assembly Application Brief AB32; ©2008 Philips Lumileds Lighting Company.
2. Thermal Management for LED Applications – Solutions Guide, The Bergquist Company.
3. R. Raut, R. Bhatkal, W. Bent, B. Singh, S. Chegudi, and R. Pandher, “Assembly Interconnect Reliability in Solid State Lighting Applications – Part 1”, Proceedings of the Pan Pacific Microelectronics Symposium, Hawaii, January 18-20, 2011.
4. Материалы сайта www.alphametals.ru