В Москве прошла двухдневная конференция IPC. Мероприятие, организованное компанией «Диполь» совместно с Ассоциацией IPC, проходило 3 и 4 сентября и привлекло более ста специалистов электронной
отрасли.
Конференции IPC регулярно проходят в различных странах и собирают ведущих специалистов в области электроники. Московская конференция отличалась тем, что была организована в европейском формате, но с учетом потребностей российской электронной промышленности. Это первое мероприятие IPC в России, проводившееся в подобной форме. Цель конференции заключалась в предоставлении российским специалистам информации о современных тенденциях и технологических проблемах, существующих в отрасли производства печатных плат и сборки электронных узлов во всем мире. Конференцию сопровождали мастер-классы, на которых всемирно известные эксперты знакомили участников с реальными изделиями, решениями и методами устранения и профилактики дефектов электронной аппаратуры.
В конференции приняли участие специально приглашенные эксперты: представитель IPC в Европе Ларс Валлин (Lars Wallin), независимый эксперт, лауреат премий SMTA и IPC Роберт Уиллис (Bob Willis), мастер-тренер IPC Хан Раетсен (Han Raetsen). Им помогали представитель Ассоциации в России Юрий Ковалевский и сертифицированный тренер Андрей Фешко (компания «Диполь»).
Вопреки традиционному порядку организации подобных мероприятий, первый день конференции был посвящен практическим мастер-классам, а второй — пленарным докладам. Темой всех мастер-классов стала задача, ради которой и создавалась ассоциация IPC, а именно — предупреждение и обнаружение дефектов сборки электронных изделий и выяснение причин их появления.
Мастер-классы
Два мастер-класса Ларса Валлина были посвящены производству электроники третьего класса IPC — то есть изделий, к которым предъявляются наивысшие требования к надежности. Используя специально напечатанные для мастер-класса карты ("чек-листы"), участники семинара прошли все этапы технологического маршрута производства и узнали, как следование стандартам IPC поможет улучшить качество продукции. Также была наглядно показана методика последовательного поиска причин дефектов изделий в производственной цепи.
Одна из причин, по которой г-н Валлин проводит свои мастер-классы, по его словам заключается в том, что во многих странах не понимают, насколько важно, чтобы требования к изделию действовали на всей производственной цепочке. Если хотя бы один из основных параметров сборочного производства — данные для подготовки программ, паяльная паста, трафареты, компоненты и печатные платы — не соответствует установленным регламентам, то паяные соединения окажутся некачественными.
Ларс Валлин подробно описал типичные технологические ошибки и то, к чему они приводят. Возможны два варианта: ничего не делать и продолжать поставки, надеясь на лучшее, либо ремонтировать и терять деньги. Но есть и третий путь: постараться избежать возникновения проблем на каждом из этапов техпроцесса.
Почему используются стандарты? Именно потому, что они помогают избежать проблем на ранних стадиях. Ларс Валлин перечислил ключевые стандарты IPC, заметив, что в их структуре можно явно пронаблюдать весть процесс — от конструирования изделия до его приемки, и даже ремонта и восстановления.
Второй мастер-класс Ларса Валлина назывался «Почему мои паяные соединения не идеальны?» и касался проблемы поиска и устранения причин дефектов. Приведенные примеры из практики иллюстрировали методику анализа дефектов, учитывающую такие факторы, как конструкция изделия, организация процессов, управление качеством, закупки, выбор оборудования и прочее, что часто оказывается упущенным из-за концентрации усилий на анализе техпроцесса. Эти факторы многим на первый взгляд кажутся вторичными, не относящимися к производству как таковому. Но именно для того, чтобы не забыть уделить внимание всем элементам, влияющим на результат, Ларс Валлин разработал «Контрольные таблицы IPC», подобные тем, что используются пилотами перед вылетом. Это руководство было представлено на конференции на русском языке.
Одновременно в соседнем помещении проходили мастер-классы Роберта Уиллиса. Первый из них был посвящен технологиям отмывки печатных плат и нанесению конформных покрытий. Далеко не на всех предприятиях этим процессам уделяется необходимое внимание, а между тем недостаточно качественная отмывка способна привести к появлению серьезных дефектов и отказов электронных узлов. На семинаре говорилось о важности отмывки и правильной организации данного процесса. Темой второго воркшопа стал «Практический анализ дефектов». Существует множество методик и способов анализа дефектов: разрушающие и неразрушающие, инструментальные и визуальные. Г-н Уиллис привел ряд примеров дефектов и пояснил, как можно анализировать их различными способами, а слушатели, в свою очередь, сделали выводы о том, какими средствами и методиками пользоваться для своих задач.
В обсуждении, завершившем первый день конференции, участники интересовались, возможно ли пригласить специалиста IPC на производство для аудита и выявления проблем, и другими актуальными вопросами.
Пленарные доклады
Второй день состоял из пленарных докладов. Открыло его выступление Боба Уиллиса, который рассказал об определении наиболее важных параметров при выборе финишных покрытий для плат и компонентов (стандарты IPC-4552, 4553 и 4554) и представил доклад о методе монтажа «корпус-на-корпус» (package on package, PoP). Суть технологии в том, что на один корпус устанавливается другой корпус, на него — следующий и т. д. При помощи слайдов и видеороликов Боб показал, как происходит сборка «корпус-на-корпус», и привел ряд рекомендаций по конструированию и управлению технологическими режимами при использовании этой технологии.
После британского специалиста слово взял его голландский коллега Хан Раетсен. Его доклады были посвящены современным материалам для сборки электроники. Была затронута одна из важнейших как для российских, так и мировых производителей ответственной и специальной электроники — комбинирование бессвинцовых и свинцовосодержащих материалов при сборке изделий, совместимость их с покрытиями печатных плат и технологиями поверхностного монтажа. Особенность нынешней ситуации заключается в применении на производствах смешанной технологии: работают с бессвинцовыми компонентами, паяя на свинцовую пасту. Перевести электронику на бессвинцовые технологии заставили три директивы. Первая регулирует, что происходит с изделием, закончившим срок службы (электроника должна допускать переработку). Вторая регламентирует, как избежать попадания электронных изделий в отходы. Третья и самая важная — RoHS — диктует список материалов, запрещенных к применению. Среди них оказался свинец, в результате вся электроника в Европе была вынуждена перейти на бессвинцовые технологии. Последние годы электронные изделия становятся миниатюрнее, однако наращивают свой функционал. Этот факт г-н Раетсен проиллюстрировал на примере цифровой камеры: в 2002 году объем типичной модели составлял 150 куб. см, а спустя десять лет — в три-четыре раза меньше; то же самое произошло и с мобильными телефонами. В результате приходится применять все более сложные компоненты. Миниатюризация шла до тех пор, пока уже не могли разместить на компоненте достаточное количество выводов. К счастью, разработчикам пришла в голову идея разместить их на нижней стороне. Так появились BGA- и изделия «корпус-на-корпусе».
Отказ от свинца вызывает новые проблемы. Во-первых, покрытие компонентов не должно иметь свинца, а сам компонент, попадая в бессвинцовое производство, обязан выдерживать большие температуры. Во-вторых, особую важность приобретает вопрос абсорбирования влаги компонентами. Все большее значение приобретает чувствительность компонентов к процессу. Соответствующие показатели зафиксированы в стандартах IPC. Наряду с финишным покрытием ПП в компонентах может использоваться химическое олово, иммерсионное золото по химическому никелю и иммерсионное серебро. Но при этом возникают проблемы с применением процессов (ведь они должны меняться), с восстановлением и ремонтом.
Не так много вопросов к пайке волной и селективной пайке. Компоненты для монтажа в отверстия с бессвинцовым покрытием начали использоваться много лет назад, еще до введения описанных выше директив. Кроме того, если у нас есть компонент со свинцовым покрытием, паяющийся бессвинцовым припоем, то влияние содержания свинца минимально. Однако мы должны процесс изменить: повысить температуру, увеличить время выдержки и т. д. Кажется, что это регулируется легко. В случае с пайкой оплавлением различий больше. Прежде всего, велика разница температур плавления. Не все оборудование поддерживает высокую температуру. В итоге многим компаниям пришлось закупать новое оборудование. Еще одна важная проблема — все, что проходит через пайку оплавлением (материалы, компоненты), должно выдерживать соответствующие температуры.
В случае со смешанной технологией высок риск расплавления и деформации элементов, а также вероятность неполного смешивания материала шариковых выводов и пасты (сверху бессвинцовый материал, а снизу — свинецсодержащий). Очень важна в данной ситуации паяльная паста. Если используется бессвинцовая паяльная паста, это означает, что остальная химия предназначена для бессвинцового термопрофиля. Многие пасты на температурах бессвинцовых процессов имеют недостаточную активность, или у них происходит срыв активности, необратимо меняющий свойства. Balver Zinn Group разработала бессвинцовую паяльную пасту, а потом перенесла методы, применяющиеся в бессвинцовой технологии, на эвтектические пасты. Таким образом, последние научились работать в бессвинцовом процессе. Более трудоемкий и дорогой способ — использование локального монтажа BGA. В этом случае не происходит смешивание процесса. Еще один вариант — реболлинг. Он тоже сложный и недешевый, к тому же компоненты подвергаются многократному нагреву и могут не выдержать.
Как обеспечить применение смешанной технологии на производстве и как она влияет на надежность изделий? Когда говорят о надежности, подразумевают выполнение ряда требований. Изделие надежно в том случае, если обеспечивает ожидаемую функциональность в определенных условиях, в течение определенного периода времени и без превышения ожидаемого уровня отказов. В этом смысле, скажем, военная электроника сильно отличается от потребительской — разные ожидания и уровень надежности. Для получения надежного паяного соединения необходимо, чтобы его металлургический состав был равномерным. Как показали испытания, наибольшая надежность достигается при одинаковых материалах — тогда количество циклов до отказа превышает 3 тыс. В случае смешанной технологии надежность снижается на треть, до 2 тыс. циклов. Согласно ряду исследований, температурный профиль для свинецсодержащей технологии нельзя использовать для бессвинцовых выводов.
Что будет, если вы ремонтируете плату, спаянную по свинецсодержащей технологии, при помощи бессвинцовой методики, и наоборот? В случае с односторонней ПП появляется барьер, ослабляющий паяное соединение, и оно может разорваться. Лучше очистить площадку и запаять новым припоем. Для двухсторонних и многослойных ПП с металлизированными отверстиями картина похожа, но барьер выглядит иначе (прочность обеспечивается внутренним припоем). Если отверстие металлизированное, то смешивать припой при ремонте/восстановлении не запрещается. Подытоживая выступление, Хан Раетсен посоветовал российским специалистам перед использованием смешанной технологии убедиться в совместимости техпроцессов, а при необходимости скорректировать их.
Затем в кресло спикера вернулся Боб Уиллис, представивший два коротких доклада: «Контроль качества конформных покрытий» и «Определение наиболее важных параметров при выборе финишных покрытий для плат и компонентов». По результатам исследования, наибольшее количество проблем вызывает два вида дефектов конформных покрытий — собирание материала в своеобразные бугорки из-за плохого смачивания поверхности и пузырение. Те или иные материалы для покрытий включены в стандарты IPC. Один из способов нанесения покрытия — погружение. При проведении контроля может помочь свойство материалов светиться в ультрафиолете — это позволяет выявить по цвету, где покрытие нанесено, а где нет. Оно же помогает при ремонте/восстановлении. Второй способ — распыление. В данном случае также нетрудно разглядеть под ультрафиолетом, как наносится покрытие: очень полезно на этапе запуска процесса, так как не нужно делать для каждой платы. При самостоятельном нанесении покрытия или заказе его у сторонней организации важно указать, в каких местах покрытие должно быть, а в каких не должно. Делайте это так, чтобы можно было проверить, правильно ли выполнена работа. Помогут в этом вопросе, опять же, стандарты, но с покрытиями часто возникает ситуация, когда какой-то участок не принципиален. Об этом надо сообщить исполнителю, ведь если покрытия там нет, то и ремонтировать плату необязательно. Боб подчеркнул: нормы IPC указывают толщину конформных покрытий, но играют роль рекомендаций; выбирая покрытие, необходимо помнить, что оно должно быть совместимо с паяльной маской, иначе на выходе можно получить «мокрую» плату. Также выступающий описал методы выявления дефектов покрытия и способы их устранения. Некоторые исправления нетрудно внести в покрытие еще до его затвердевания, тем самым избежав лишних проблем.
Затем вновь выступил Хан Раетсен. Он рассказал о разработке флюсов для селективной пайки. Суть данной методики в том, что волна припоя прикладывается к нескольким точкам на плате. Существует два вида селективной пайки: протягиванием и погружением. Первый вид подразумевает, что у вас имеется насадка с мини-волной припоя, которая постоянно движется вдоль поверхности ПП и касается всех точек пайки (выводов компонентов). Особенность в том, что есть постоянный поток припоя, а остатки флюса им смываются. В данном случае важно количество наносимого флюса. Второй вид отличается тем, что создается палета со специальными отверстиями, повторяющими места для пайки, куда подается припой. Таким образом, плата просто погружается на палету. Применение флюса для данного процесса более критично — некоторое его количество оказывается заперто между ПП и расплавленным припоем. В чем же причины выбора селективной пайки и каковы ее преимущества? При использовании пайки волной нельзя размещать выводные компоненты на обеих сторонах платы. Но даже если выводные компоненты расположены на одной стороне платы, а на обратной стороне имеются массивные поверхностно монтируемые компоненты, то ПП не может быть спаяна с помощью волны припоя. Дополнительная причина — некоторые поверхностно монтируемые компоненты, расположенные со стороны пайки, могут быть очень чувствительны к температуре, и их нельзя подвергать воздействию волны припоя. В таких случаях преимущество имеет селективная пайка.
Какие трудности существуют с флюсами, применяемыми в системах селективной пайки? Во-первых, важно нанесение флюса: он должен наноситься исключительно в те места, где будет происходить пайка. Каждый флюс имеет определенную температуру полимеризации, ей подвержено только то количество флюса, которое попадет под воздействие волны припоя. Соответственно, оставшийся флюс не будет полимеризован. Он же представляет опасность для платы: будет вызывать коррозию и прочие негативные явления. Также флюсы для селективной пайки должны обладать температурной стабильностью, ведь в месте припоя температура может достигать 330 градусов Цельсия. По этим причинам флюсы, годные для пайки волной, не подходят для селективной технологии. Обратной стороной активности флюсов является коррозия. То же самое с образованием дендритов. Balver Zinn Group провела масштабное исследование с целью выяснить, какие из флюсов наиболее надежны и безопасны при селективной пайке. В ходе испытаний флюсы на спиртовой основе не вызвали коррозии, а вот флюсы на водной основе привели к коррозии, как и флюсы на полуводной основе (за одним исключением). Авторы пришли к выводу, что для селективной пайки не должны применяться флюсы с содержанием воды больше 20%. Тесты на определение поверхностного сопротивления изоляции показали: надежность флюсов на спиртовой основе выше, чем флюсов на водной основе. По ходу дела выяснилось, что на поверхностное сопротивление изоляции большое влияние оказывает температура пайки. Ряд дополнительных тестов дал более явные результаты. Так, желательно, чтобы флюс имел меньшее растекание. К сожалению, спирт как основа этому не способствует. Каким образом заставить флюсы на спиртовой основе не растекаться слишком сильно? Еще одно необходимое свойство — хорошие капиллярные показатели, необходимые для заполнения сквозных металлизированных отверстий. Когда в компании задались вопросом о разработке флюсов для селективной пайки, вспоминает Хан, нужно было понять, какую кислоту использовать. Ведь каждая кислота имеет свою температуру деактивации. При температуре 50 градусов Цельсия многие кислоты долго деактивируют свои свойства. По результатам тестов для селективных флюсов были выбраны кислоты, которые при низких температурах деактивируются лучше других. Для предотвращения растекаемости флюса в формуле можно использовать добавки, увеличивающие силу поверхностного натяжения. Например, подойдет комбинация воды и спирта. Интересное свойство спирта в том, что если его наносить на предварительно нагретую поверхность, то он растекается хуже. При селективном нанесении флюса струйной технологией важно соблюдать правильное давление, иначе тот будет попросту отскакивать. Также лучше всего обеспечить нанесение флюса строго на вывод компонента. В заключение г-н Раетсен порекомендовал выбирать для селективной пайки флюсы с понятными и известными свойствами, а также с наибольшей надежностью. В этом смысле оптимальны флюсы на основе натуральной или синтетической канифоли, а органических флюсов желательно избегать.
В завершение конференции Ларс Валлин в своем шутливом стиле поблагодарил присутствовавших за то, что они не спали, и дал им возможность ознакомиться с руководством «Контрольные таблицы IPC», которые все участники получили в электронном виде на русском языке. В свою очередь, слушатели попросили Ларса чаще приезжать в нашу страну. За то, что мероприятие прошло в позитивном ключе, хочется поблагодарить не только зарубежных спикеров, но и российских организаторов Юрия Ковалевского и Андрея Фешко за помощь в проведении докладов и квалифицированный перевод. После каждого выступления гости конференции задавали докладчикам множество вопросов из личной практики. Интересные дискуссии были ограничены лишь временем, отведенным на вопросы. Участники положительно оценили организацию конференции, единодушно охарактеризовали ее как очень нужное мероприятие.
Компания «Диполь» планирует проводить конференции IPC на регулярной основе. Предварительные заявки можно подавать уже сейчас по электронной почте events@dipaul.ru.
Рассказ о любом мероприятии будет неполным без беседы с его непосредственными участниками и организаторами. На наши вопросы отвечают представитель IPC в Европе Ларс Валлин и независимый эксперт Роберт Уиллис.
Господин Валлин, вы принимали участие во многих европейских конференциях IPC. Есть ли какие-то различия между российской и европейскими конференциями?
Ларс Валлин: Европейские конференции — это, как правило, более глобальные, международные мероприятия. Например, недавно мы проводили конференцию в Будапеште. Столица Венгрии была выбрана неслучайно — туда достаточно удобно добраться практически из любой точки Европы. На конференции освещалось множество самых разных тем, причем доклады велись на английском языке — это подчеркивало международный статус мероприятия.
В отличие от будапештской, московская конференция была организована специально для российских производителей электроники. Мы фокусировали внимание на отдельных, важных для них темах — в частности, на производстве изделий третьего класса надежности и применении смешанных технологий. Ведь большая часть электронной промышленности России — это оборонные предприятия, следовательно, подобные темы будут наиболее интересны. Должен заметить, что мне больше нравится именно такая концепция. Ведь чем меньше тематический разброс вопросов освещается на конференции, тем легче упорядочить и запомнить полученные знания.
Что за последние пять лет изменилось в России с точки зрения стандартизации?
Л. В.: Во-первых, в России появилось 10 новых переводов стандартов IPC, сделанных с участием Юрия Ковалевского и его коллег. Переводить стандарты очень важно, так как не все российские специалисты могут читать документы на техническом английском языке. С появлением стандартов на русском языке IPC становится ближе к России.
Во-вторых, существенно выросло число российских членов IPC. Например, если в 2010 году в России было 12 членов IPC, то сегодня их уже 18. Это очень хорошая тенденция, мы рады, что Россия принимает все большее участие в деятельности нашей ассоциации.
И наконец, мы видим, что продажи стандартов IPC в России растут. Если в 2010 году объемы продаж продуктов IPC (IPC USA) составили 14,9 тыс. долларов, то в 2013-м данный показатель более чем удвоился и достиг 30,3 тыс. долларов. А значит, все больше российских предприятий понимает важность применения стандартов.
Какие, на ваш взгляд, существуют проблемы с внедрением стандартов IPC в России?
Л. В.: К сожалению, российская электронная промышленность, в отличие от европейской, сильно милитаризована. Большая часть предприятий выпускает оборонную продукцию, а требования к ее сборке регламентируются внутренними ГОСТами. Поэтому, несмотря на рост интереса к нашим стандартам, далеко не все российские производители осознают необходимость их применения. Между тем, стандарты IPC современнее и актуальнее, чем ГОСТы, о которых за пределами бывшего СССР никто не знает. Только когда российские предприятия начнут активно сотрудничать с зарубежными компаниями и поставлять свою продукцию на внешние рынки, они поймут важность использования современных международных стандартов. Но это вряд ли произойдет скоро. Мы надеемся изменить текущую ситуацию с помощью конференций IPC, которые будут проходить регулярно.
Почему же так важно применять стандарты IPC?
Л. В.: Современное электронное производство — это очень длинная цепочка технологических операций, каждая из которых имеет свои параметры.
Любое отклонение данных параметров от нормы приводит к ошибкам сборки, дефектам и отказам готовых изделий. Стандарты IPC — мощнейший инструмент, применяя который, вы сможете уменьшить вероятность появления этих ошибок и повысить качество продукции.
Роберт Уиллис: Стандарты IPC — это основа для организации всех взаимоотношений между производителями электроники, их заказчиками и поставщиками компонентов. Свои внутренние стандарты есть в каждой стране, на предприятиях также руководствуются собственными нормами и требованиями. Если бы все следовали только собственным стандартам, качество продукции и сырья нельзя было бы нормировать — даже одинаковые продукты, изготовленные несколькими фабриками, были бы разного качества. Для того чтобы успешно работать на внешнем рынке и не обманывать ожидания заказчиков, предприятия должны ориентироваться на базовые документы, которые однозначно определяют критерии качества для всех. Сегодня эти документы — стандарты IPC. Заказчики могут указывать соответствие стандартам как требование к готовой продукции, а производители — как гарантию ее качества. Важно, что, используя стандарты как «отправную точку», инженер может оценивать, например, качество комплектующих и материалов либо описывать требования к конечным изделиям, даже не имея богатого опыта работы, — ведь в стандартах IPC сохранен именно практический опыт многих известных производителей. Конечно, это все справедливо лишь в случае, когда изготовители и поставщики правильно понимают суть стандартов, а не просто цитируют их в документации.
Благодарим за помощь в подготовке материала журналистов Максима Шейкина, Илью Шахновича (журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»), Влада Полякова (журнал «Технологии в электронной промышленности»).
Конференции IPC регулярно проходят в различных странах и собирают ведущих специалистов в области электроники. Московская конференция отличалась тем, что была организована в европейском формате, но с учетом потребностей российской электронной промышленности. Это первое мероприятие IPC в России, проводившееся в подобной форме. Цель конференции заключалась в предоставлении российским специалистам информации о современных тенденциях и технологических проблемах, существующих в отрасли производства печатных плат и сборки электронных узлов во всем мире. Конференцию сопровождали мастер-классы, на которых всемирно известные эксперты знакомили участников с реальными изделиями, решениями и методами устранения и профилактики дефектов электронной аппаратуры.
В конференции приняли участие специально приглашенные эксперты: представитель IPC в Европе Ларс Валлин (Lars Wallin), независимый эксперт, лауреат премий SMTA и IPC Роберт Уиллис (Bob Willis), мастер-тренер IPC Хан Раетсен (Han Raetsen). Им помогали представитель Ассоциации в России Юрий Ковалевский и сертифицированный тренер Андрей Фешко (компания «Диполь»).
Вопреки традиционному порядку организации подобных мероприятий, первый день конференции был посвящен практическим мастер-классам, а второй — пленарным докладам. Темой всех мастер-классов стала задача, ради которой и создавалась ассоциация IPC, а именно — предупреждение и обнаружение дефектов сборки электронных изделий и выяснение причин их появления.
Мастер-классы
Два мастер-класса Ларса Валлина были посвящены производству электроники третьего класса IPC — то есть изделий, к которым предъявляются наивысшие требования к надежности. Используя специально напечатанные для мастер-класса карты ("чек-листы"), участники семинара прошли все этапы технологического маршрута производства и узнали, как следование стандартам IPC поможет улучшить качество продукции. Также была наглядно показана методика последовательного поиска причин дефектов изделий в производственной цепи.
Одна из причин, по которой г-н Валлин проводит свои мастер-классы, по его словам заключается в том, что во многих странах не понимают, насколько важно, чтобы требования к изделию действовали на всей производственной цепочке. Если хотя бы один из основных параметров сборочного производства — данные для подготовки программ, паяльная паста, трафареты, компоненты и печатные платы — не соответствует установленным регламентам, то паяные соединения окажутся некачественными.
Ларс Валлин подробно описал типичные технологические ошибки и то, к чему они приводят. Возможны два варианта: ничего не делать и продолжать поставки, надеясь на лучшее, либо ремонтировать и терять деньги. Но есть и третий путь: постараться избежать возникновения проблем на каждом из этапов техпроцесса.
Почему используются стандарты? Именно потому, что они помогают избежать проблем на ранних стадиях. Ларс Валлин перечислил ключевые стандарты IPC, заметив, что в их структуре можно явно пронаблюдать весть процесс — от конструирования изделия до его приемки, и даже ремонта и восстановления.
Второй мастер-класс Ларса Валлина назывался «Почему мои паяные соединения не идеальны?» и касался проблемы поиска и устранения причин дефектов. Приведенные примеры из практики иллюстрировали методику анализа дефектов, учитывающую такие факторы, как конструкция изделия, организация процессов, управление качеством, закупки, выбор оборудования и прочее, что часто оказывается упущенным из-за концентрации усилий на анализе техпроцесса. Эти факторы многим на первый взгляд кажутся вторичными, не относящимися к производству как таковому. Но именно для того, чтобы не забыть уделить внимание всем элементам, влияющим на результат, Ларс Валлин разработал «Контрольные таблицы IPC», подобные тем, что используются пилотами перед вылетом. Это руководство было представлено на конференции на русском языке.
Одновременно в соседнем помещении проходили мастер-классы Роберта Уиллиса. Первый из них был посвящен технологиям отмывки печатных плат и нанесению конформных покрытий. Далеко не на всех предприятиях этим процессам уделяется необходимое внимание, а между тем недостаточно качественная отмывка способна привести к появлению серьезных дефектов и отказов электронных узлов. На семинаре говорилось о важности отмывки и правильной организации данного процесса. Темой второго воркшопа стал «Практический анализ дефектов». Существует множество методик и способов анализа дефектов: разрушающие и неразрушающие, инструментальные и визуальные. Г-н Уиллис привел ряд примеров дефектов и пояснил, как можно анализировать их различными способами, а слушатели, в свою очередь, сделали выводы о том, какими средствами и методиками пользоваться для своих задач.
В обсуждении, завершившем первый день конференции, участники интересовались, возможно ли пригласить специалиста IPC на производство для аудита и выявления проблем, и другими актуальными вопросами.
Пленарные доклады
Второй день состоял из пленарных докладов. Открыло его выступление Боба Уиллиса, который рассказал об определении наиболее важных параметров при выборе финишных покрытий для плат и компонентов (стандарты IPC-4552, 4553 и 4554) и представил доклад о методе монтажа «корпус-на-корпус» (package on package, PoP). Суть технологии в том, что на один корпус устанавливается другой корпус, на него — следующий и т. д. При помощи слайдов и видеороликов Боб показал, как происходит сборка «корпус-на-корпус», и привел ряд рекомендаций по конструированию и управлению технологическими режимами при использовании этой технологии.
После британского специалиста слово взял его голландский коллега Хан Раетсен. Его доклады были посвящены современным материалам для сборки электроники. Была затронута одна из важнейших как для российских, так и мировых производителей ответственной и специальной электроники — комбинирование бессвинцовых и свинцовосодержащих материалов при сборке изделий, совместимость их с покрытиями печатных плат и технологиями поверхностного монтажа. Особенность нынешней ситуации заключается в применении на производствах смешанной технологии: работают с бессвинцовыми компонентами, паяя на свинцовую пасту. Перевести электронику на бессвинцовые технологии заставили три директивы. Первая регулирует, что происходит с изделием, закончившим срок службы (электроника должна допускать переработку). Вторая регламентирует, как избежать попадания электронных изделий в отходы. Третья и самая важная — RoHS — диктует список материалов, запрещенных к применению. Среди них оказался свинец, в результате вся электроника в Европе была вынуждена перейти на бессвинцовые технологии. Последние годы электронные изделия становятся миниатюрнее, однако наращивают свой функционал. Этот факт г-н Раетсен проиллюстрировал на примере цифровой камеры: в 2002 году объем типичной модели составлял 150 куб. см, а спустя десять лет — в три-четыре раза меньше; то же самое произошло и с мобильными телефонами. В результате приходится применять все более сложные компоненты. Миниатюризация шла до тех пор, пока уже не могли разместить на компоненте достаточное количество выводов. К счастью, разработчикам пришла в голову идея разместить их на нижней стороне. Так появились BGA- и изделия «корпус-на-корпусе».
Отказ от свинца вызывает новые проблемы. Во-первых, покрытие компонентов не должно иметь свинца, а сам компонент, попадая в бессвинцовое производство, обязан выдерживать большие температуры. Во-вторых, особую важность приобретает вопрос абсорбирования влаги компонентами. Все большее значение приобретает чувствительность компонентов к процессу. Соответствующие показатели зафиксированы в стандартах IPC. Наряду с финишным покрытием ПП в компонентах может использоваться химическое олово, иммерсионное золото по химическому никелю и иммерсионное серебро. Но при этом возникают проблемы с применением процессов (ведь они должны меняться), с восстановлением и ремонтом.
Не так много вопросов к пайке волной и селективной пайке. Компоненты для монтажа в отверстия с бессвинцовым покрытием начали использоваться много лет назад, еще до введения описанных выше директив. Кроме того, если у нас есть компонент со свинцовым покрытием, паяющийся бессвинцовым припоем, то влияние содержания свинца минимально. Однако мы должны процесс изменить: повысить температуру, увеличить время выдержки и т. д. Кажется, что это регулируется легко. В случае с пайкой оплавлением различий больше. Прежде всего, велика разница температур плавления. Не все оборудование поддерживает высокую температуру. В итоге многим компаниям пришлось закупать новое оборудование. Еще одна важная проблема — все, что проходит через пайку оплавлением (материалы, компоненты), должно выдерживать соответствующие температуры.
В случае со смешанной технологией высок риск расплавления и деформации элементов, а также вероятность неполного смешивания материала шариковых выводов и пасты (сверху бессвинцовый материал, а снизу — свинецсодержащий). Очень важна в данной ситуации паяльная паста. Если используется бессвинцовая паяльная паста, это означает, что остальная химия предназначена для бессвинцового термопрофиля. Многие пасты на температурах бессвинцовых процессов имеют недостаточную активность, или у них происходит срыв активности, необратимо меняющий свойства. Balver Zinn Group разработала бессвинцовую паяльную пасту, а потом перенесла методы, применяющиеся в бессвинцовой технологии, на эвтектические пасты. Таким образом, последние научились работать в бессвинцовом процессе. Более трудоемкий и дорогой способ — использование локального монтажа BGA. В этом случае не происходит смешивание процесса. Еще один вариант — реболлинг. Он тоже сложный и недешевый, к тому же компоненты подвергаются многократному нагреву и могут не выдержать.
Как обеспечить применение смешанной технологии на производстве и как она влияет на надежность изделий? Когда говорят о надежности, подразумевают выполнение ряда требований. Изделие надежно в том случае, если обеспечивает ожидаемую функциональность в определенных условиях, в течение определенного периода времени и без превышения ожидаемого уровня отказов. В этом смысле, скажем, военная электроника сильно отличается от потребительской — разные ожидания и уровень надежности. Для получения надежного паяного соединения необходимо, чтобы его металлургический состав был равномерным. Как показали испытания, наибольшая надежность достигается при одинаковых материалах — тогда количество циклов до отказа превышает 3 тыс. В случае смешанной технологии надежность снижается на треть, до 2 тыс. циклов. Согласно ряду исследований, температурный профиль для свинецсодержащей технологии нельзя использовать для бессвинцовых выводов.
Что будет, если вы ремонтируете плату, спаянную по свинецсодержащей технологии, при помощи бессвинцовой методики, и наоборот? В случае с односторонней ПП появляется барьер, ослабляющий паяное соединение, и оно может разорваться. Лучше очистить площадку и запаять новым припоем. Для двухсторонних и многослойных ПП с металлизированными отверстиями картина похожа, но барьер выглядит иначе (прочность обеспечивается внутренним припоем). Если отверстие металлизированное, то смешивать припой при ремонте/восстановлении не запрещается. Подытоживая выступление, Хан Раетсен посоветовал российским специалистам перед использованием смешанной технологии убедиться в совместимости техпроцессов, а при необходимости скорректировать их.
Затем в кресло спикера вернулся Боб Уиллис, представивший два коротких доклада: «Контроль качества конформных покрытий» и «Определение наиболее важных параметров при выборе финишных покрытий для плат и компонентов». По результатам исследования, наибольшее количество проблем вызывает два вида дефектов конформных покрытий — собирание материала в своеобразные бугорки из-за плохого смачивания поверхности и пузырение. Те или иные материалы для покрытий включены в стандарты IPC. Один из способов нанесения покрытия — погружение. При проведении контроля может помочь свойство материалов светиться в ультрафиолете — это позволяет выявить по цвету, где покрытие нанесено, а где нет. Оно же помогает при ремонте/восстановлении. Второй способ — распыление. В данном случае также нетрудно разглядеть под ультрафиолетом, как наносится покрытие: очень полезно на этапе запуска процесса, так как не нужно делать для каждой платы. При самостоятельном нанесении покрытия или заказе его у сторонней организации важно указать, в каких местах покрытие должно быть, а в каких не должно. Делайте это так, чтобы можно было проверить, правильно ли выполнена работа. Помогут в этом вопросе, опять же, стандарты, но с покрытиями часто возникает ситуация, когда какой-то участок не принципиален. Об этом надо сообщить исполнителю, ведь если покрытия там нет, то и ремонтировать плату необязательно. Боб подчеркнул: нормы IPC указывают толщину конформных покрытий, но играют роль рекомендаций; выбирая покрытие, необходимо помнить, что оно должно быть совместимо с паяльной маской, иначе на выходе можно получить «мокрую» плату. Также выступающий описал методы выявления дефектов покрытия и способы их устранения. Некоторые исправления нетрудно внести в покрытие еще до его затвердевания, тем самым избежав лишних проблем.
Затем вновь выступил Хан Раетсен. Он рассказал о разработке флюсов для селективной пайки. Суть данной методики в том, что волна припоя прикладывается к нескольким точкам на плате. Существует два вида селективной пайки: протягиванием и погружением. Первый вид подразумевает, что у вас имеется насадка с мини-волной припоя, которая постоянно движется вдоль поверхности ПП и касается всех точек пайки (выводов компонентов). Особенность в том, что есть постоянный поток припоя, а остатки флюса им смываются. В данном случае важно количество наносимого флюса. Второй вид отличается тем, что создается палета со специальными отверстиями, повторяющими места для пайки, куда подается припой. Таким образом, плата просто погружается на палету. Применение флюса для данного процесса более критично — некоторое его количество оказывается заперто между ПП и расплавленным припоем. В чем же причины выбора селективной пайки и каковы ее преимущества? При использовании пайки волной нельзя размещать выводные компоненты на обеих сторонах платы. Но даже если выводные компоненты расположены на одной стороне платы, а на обратной стороне имеются массивные поверхностно монтируемые компоненты, то ПП не может быть спаяна с помощью волны припоя. Дополнительная причина — некоторые поверхностно монтируемые компоненты, расположенные со стороны пайки, могут быть очень чувствительны к температуре, и их нельзя подвергать воздействию волны припоя. В таких случаях преимущество имеет селективная пайка.
Какие трудности существуют с флюсами, применяемыми в системах селективной пайки? Во-первых, важно нанесение флюса: он должен наноситься исключительно в те места, где будет происходить пайка. Каждый флюс имеет определенную температуру полимеризации, ей подвержено только то количество флюса, которое попадет под воздействие волны припоя. Соответственно, оставшийся флюс не будет полимеризован. Он же представляет опасность для платы: будет вызывать коррозию и прочие негативные явления. Также флюсы для селективной пайки должны обладать температурной стабильностью, ведь в месте припоя температура может достигать 330 градусов Цельсия. По этим причинам флюсы, годные для пайки волной, не подходят для селективной технологии. Обратной стороной активности флюсов является коррозия. То же самое с образованием дендритов. Balver Zinn Group провела масштабное исследование с целью выяснить, какие из флюсов наиболее надежны и безопасны при селективной пайке. В ходе испытаний флюсы на спиртовой основе не вызвали коррозии, а вот флюсы на водной основе привели к коррозии, как и флюсы на полуводной основе (за одним исключением). Авторы пришли к выводу, что для селективной пайки не должны применяться флюсы с содержанием воды больше 20%. Тесты на определение поверхностного сопротивления изоляции показали: надежность флюсов на спиртовой основе выше, чем флюсов на водной основе. По ходу дела выяснилось, что на поверхностное сопротивление изоляции большое влияние оказывает температура пайки. Ряд дополнительных тестов дал более явные результаты. Так, желательно, чтобы флюс имел меньшее растекание. К сожалению, спирт как основа этому не способствует. Каким образом заставить флюсы на спиртовой основе не растекаться слишком сильно? Еще одно необходимое свойство — хорошие капиллярные показатели, необходимые для заполнения сквозных металлизированных отверстий. Когда в компании задались вопросом о разработке флюсов для селективной пайки, вспоминает Хан, нужно было понять, какую кислоту использовать. Ведь каждая кислота имеет свою температуру деактивации. При температуре 50 градусов Цельсия многие кислоты долго деактивируют свои свойства. По результатам тестов для селективных флюсов были выбраны кислоты, которые при низких температурах деактивируются лучше других. Для предотвращения растекаемости флюса в формуле можно использовать добавки, увеличивающие силу поверхностного натяжения. Например, подойдет комбинация воды и спирта. Интересное свойство спирта в том, что если его наносить на предварительно нагретую поверхность, то он растекается хуже. При селективном нанесении флюса струйной технологией важно соблюдать правильное давление, иначе тот будет попросту отскакивать. Также лучше всего обеспечить нанесение флюса строго на вывод компонента. В заключение г-н Раетсен порекомендовал выбирать для селективной пайки флюсы с понятными и известными свойствами, а также с наибольшей надежностью. В этом смысле оптимальны флюсы на основе натуральной или синтетической канифоли, а органических флюсов желательно избегать.
В завершение конференции Ларс Валлин в своем шутливом стиле поблагодарил присутствовавших за то, что они не спали, и дал им возможность ознакомиться с руководством «Контрольные таблицы IPC», которые все участники получили в электронном виде на русском языке. В свою очередь, слушатели попросили Ларса чаще приезжать в нашу страну. За то, что мероприятие прошло в позитивном ключе, хочется поблагодарить не только зарубежных спикеров, но и российских организаторов Юрия Ковалевского и Андрея Фешко за помощь в проведении докладов и квалифицированный перевод. После каждого выступления гости конференции задавали докладчикам множество вопросов из личной практики. Интересные дискуссии были ограничены лишь временем, отведенным на вопросы. Участники положительно оценили организацию конференции, единодушно охарактеризовали ее как очень нужное мероприятие.
Компания «Диполь» планирует проводить конференции IPC на регулярной основе. Предварительные заявки можно подавать уже сейчас по электронной почте events@dipaul.ru.
Рассказ о любом мероприятии будет неполным без беседы с его непосредственными участниками и организаторами. На наши вопросы отвечают представитель IPC в Европе Ларс Валлин и независимый эксперт Роберт Уиллис.
Господин Валлин, вы принимали участие во многих европейских конференциях IPC. Есть ли какие-то различия между российской и европейскими конференциями?
Ларс Валлин: Европейские конференции — это, как правило, более глобальные, международные мероприятия. Например, недавно мы проводили конференцию в Будапеште. Столица Венгрии была выбрана неслучайно — туда достаточно удобно добраться практически из любой точки Европы. На конференции освещалось множество самых разных тем, причем доклады велись на английском языке — это подчеркивало международный статус мероприятия.
В отличие от будапештской, московская конференция была организована специально для российских производителей электроники. Мы фокусировали внимание на отдельных, важных для них темах — в частности, на производстве изделий третьего класса надежности и применении смешанных технологий. Ведь большая часть электронной промышленности России — это оборонные предприятия, следовательно, подобные темы будут наиболее интересны. Должен заметить, что мне больше нравится именно такая концепция. Ведь чем меньше тематический разброс вопросов освещается на конференции, тем легче упорядочить и запомнить полученные знания.
Что за последние пять лет изменилось в России с точки зрения стандартизации?
Л. В.: Во-первых, в России появилось 10 новых переводов стандартов IPC, сделанных с участием Юрия Ковалевского и его коллег. Переводить стандарты очень важно, так как не все российские специалисты могут читать документы на техническом английском языке. С появлением стандартов на русском языке IPC становится ближе к России.
Во-вторых, существенно выросло число российских членов IPC. Например, если в 2010 году в России было 12 членов IPC, то сегодня их уже 18. Это очень хорошая тенденция, мы рады, что Россия принимает все большее участие в деятельности нашей ассоциации.
И наконец, мы видим, что продажи стандартов IPC в России растут. Если в 2010 году объемы продаж продуктов IPC (IPC USA) составили 14,9 тыс. долларов, то в 2013-м данный показатель более чем удвоился и достиг 30,3 тыс. долларов. А значит, все больше российских предприятий понимает важность применения стандартов.
Какие, на ваш взгляд, существуют проблемы с внедрением стандартов IPC в России?
Л. В.: К сожалению, российская электронная промышленность, в отличие от европейской, сильно милитаризована. Большая часть предприятий выпускает оборонную продукцию, а требования к ее сборке регламентируются внутренними ГОСТами. Поэтому, несмотря на рост интереса к нашим стандартам, далеко не все российские производители осознают необходимость их применения. Между тем, стандарты IPC современнее и актуальнее, чем ГОСТы, о которых за пределами бывшего СССР никто не знает. Только когда российские предприятия начнут активно сотрудничать с зарубежными компаниями и поставлять свою продукцию на внешние рынки, они поймут важность использования современных международных стандартов. Но это вряд ли произойдет скоро. Мы надеемся изменить текущую ситуацию с помощью конференций IPC, которые будут проходить регулярно.
Почему же так важно применять стандарты IPC?
Л. В.: Современное электронное производство — это очень длинная цепочка технологических операций, каждая из которых имеет свои параметры.
Любое отклонение данных параметров от нормы приводит к ошибкам сборки, дефектам и отказам готовых изделий. Стандарты IPC — мощнейший инструмент, применяя который, вы сможете уменьшить вероятность появления этих ошибок и повысить качество продукции.
Роберт Уиллис: Стандарты IPC — это основа для организации всех взаимоотношений между производителями электроники, их заказчиками и поставщиками компонентов. Свои внутренние стандарты есть в каждой стране, на предприятиях также руководствуются собственными нормами и требованиями. Если бы все следовали только собственным стандартам, качество продукции и сырья нельзя было бы нормировать — даже одинаковые продукты, изготовленные несколькими фабриками, были бы разного качества. Для того чтобы успешно работать на внешнем рынке и не обманывать ожидания заказчиков, предприятия должны ориентироваться на базовые документы, которые однозначно определяют критерии качества для всех. Сегодня эти документы — стандарты IPC. Заказчики могут указывать соответствие стандартам как требование к готовой продукции, а производители — как гарантию ее качества. Важно, что, используя стандарты как «отправную точку», инженер может оценивать, например, качество комплектующих и материалов либо описывать требования к конечным изделиям, даже не имея богатого опыта работы, — ведь в стандартах IPC сохранен именно практический опыт многих известных производителей. Конечно, это все справедливо лишь в случае, когда изготовители и поставщики правильно понимают суть стандартов, а не просто цитируют их в документации.
Благодарим за помощь в подготовке материала журналистов Максима Шейкина, Илью Шахновича (журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»), Влада Полякова (журнал «Технологии в электронной промышленности»).
