Kontrola jakości pasty lutowniczej

Kontrola jakości pasty lutowniczej powinna być częścią ogólnej strategii kontroli jakości, nakierowanej na zapewnienie bezbłędnego procesu produkcji. Wyłapanie defektów po drukowaniu lub lutowaniu rozpływowym często bywa zbyt późne, jako że ponowny nadruk lub przeróbka zawsze jest kosztowna i dodatkowo może mieć wpływ na niezawodność montażu. Rzetelna kontrola jakości nie tylko pasty lutowniczej, ale wszystkich materiałów w procesie produkcyjnym, ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia końcowych niezawodności układów.

Trwałość pasty lutowniczej

Podobnie jak choćby zwykłe mleko, pasta lutownicza jest produktem łatwo psującym się i ma w związku z tym odpowiedni okres trwałości. Dlaczego pasta lutownicza w ogóle ma termin ważności? Aby odpowiedzieć na to pytanie, warto wrócić do podstaw i przyjrzeć się składowi i funkcjom pasty lutowniczej. Pasta lutownicza jest wykonana z zawiesiny proszku lutowniczego i topnika, gdzie głównym zadaniem topnika jest usuwanie tlenków z padów na PCB, wyprowadzeń elementów i kulek pasty lutowniczej podczas etapu lutowania rozpływowego. Reakcja ta zachodzi przede wszystkim podczas procesu lutowania rozpływowego, jednak przebiega również podczas przechowywania pasty w wolniejszym tempie.

Reakcja między topnikiem a proszkiem lutowniczym jest głównym czynnikiem, który ogranicza trwałość pasty lutowniczej podczas przechowywania. Inne czynniki przyczyniające się do degradacji pasty lutowniczej to odparowywanie rozpuszczalników i wchłanianie wilgoci po otwarciu, na przykład gdy pasta lutownicza znajduje się na szablonie podczas drukowania.

Wszystkie te procesy, wpływające na trwałość pasty lutowniczej i powodujące zmiany jej właściwości, następują stopniowo. Chociaż producenci pasty są w stanie dokładnie oszacować okres użyteczności pasty, wszelkie istotne zmiany jej parametrów, spowodowane sposobem obchodzenia się z nią, zmianami środowiskowymi (takimi jak wilgotność), jej składem itp. mogą skrócić wcześniej przewidywany okres trwałości pasty. W przypadku operacji produkcyjnych z wąskimi oknami procesu, pasta może nie nadawać się do użytku przez cały okres trwałości, nawet zanim zmiany w paście lutowniczej wywołane warunkami środowiskowymi staną się przyczyną niedopuszczalnego poziomu defektów. Ponieważ druk wykonywany drobnoziarnistymi pastami po raz kolejny przesunął granice procesu drukowania pasty lutowniczej, obecnie jej właściwości stają się to znacznie częściej spotykanym problemem.

Podstawowe mechanizmy degradacji pasty lutowniczej

Pasty lutownicze ulegają degradacji przez trzy podstawowe efekty:

- Reakcja topnik-proszek

- Odparowywanie rozpuszczalników topnikowych

- Wchłanianie wilgoci do pasty lutowniczej

Interakcja topnik-proszek

Reakcja zachodząca podczas przechowywania między topnikiem a proszkiem wywiera wpływ na jakość pasty lutowniczej na kilka różnych sposobów. W miarę postępu reakcji, aktywator topnika zużywa się i może zmniejszać zdolność pasty lutowniczej do usuwania tlenków, powodując defekty grapingu lub problemy z niedostatecznym zwilżaniem. W wyniku tej reakcji powstają również sole metalu, które zwiększają lepkość pasty lutowniczej i mogą  powodować problemy z jej nadrukiem. W skrajnych przypadkach, aktywator topnika może całkowicie usunąć warstwę tlenku na powierzchni proszku lutowniczego, co powoduje ich zbrylanie się nawet na zimno (tj. w temperaturze przechowywania) i tworzenie twardych kawałków, które mogą zatykać apertury szablonu. Ponieważ coraz częściej stosowane są pasty oparte o drobniejsze proszki, mające większą powierzchnię styku kulek i topnika, reakcja między tymi składnikami staje się jeszcze bardziej wyraźna.

Ze względu na przyspieszenie reakcji topnika z proszkiem w podwyższonej temperaturze, pastę lutowniczą należy przechowywać w chłodzie. Jeśli lodówka do przechowywania pasty lutowniczej nie utrzymuje odpowiedniej temperatury przechowywania lub pasta nagrzewa się podczas transportu, degradacja pasty jest przyśpieszona.

Odparowywanie rozpuszczalnika

Rozpuszczalniki w paście lutowniczej są niezbędne do prawidłowego przebiegu etapów drukowania i lutowania rozpływowego. Pod wpływem powietrza rozpuszczalniki zawarte w topniku pasty lutowniczej mogą odparować i wysuszyć pastę, co prowadzi do zwiększenia jej lepkości i powoduje powstawanie nienadrukowanych padów lub innych problemów z drukowaniem. Bez rozpuszczalników aktywator topnika może nie mieć dostępu do tlenków, co z kolei powoduje problemy ze zwilżalnością podczas etapu reflow.

Odparowywanie rozpuszczalnika następuje łatwiej w środowiskach o niskiej wilgotności lub gdy pasta lutownicza jest wystawiona na działanie powietrza podczas drukowania.

Wchłanianie wilgoci

Topnik lutowniczy jest higroskopijny i z czasem pochłania wilgoć z powietrza. W zależności od składu chemicznego topnika, wilgoć może zwiększać lub zmniejszać lepkość pasty lutowniczej. Absorpcja wilgoci jest częstą przyczyną powstawania defektu kuleczkowania, rozpryskiwania się pasty, a w przypadku dużych ilości wchłoniętej wilgoci, również defektu pustek.

Absorpcja wilgoci w paście lutowniczej zachodzi łatwiej w warunkach wysokiej wilgotności lub gdy pasta lutownicza jest wystawiona na działanie powietrza podczas drukowania. Jeśli pasta lutownicza jest zimniejsza niż otoczenie, na przykład gdy pojemnik jest otwierany przed osiągnięciem temperatury pokojowej, wilgoć może być również wprowadzana przez kondensację.

Praktyczne strategie kontroli jakości pasty lutowniczej

Norma IPC-J-STD-005 określa kryteria dopuszczalności pasty lutowniczej w procesie montażu. Chociaż norma ta definiuje dokładny zestaw testów, które są przydatne dla celów pierwotnej kwalifikacji, przeprowadzenie całej serii testów każdego pojemnika pasty lutowniczej przed jej użyciem na hali produkcyjnej byłoby po prostu niewykonalne. Trzy techniki, które są najbardziej przydatne do kontroli jakości pasty lutowniczej, to test kulek lutowniczych, pomiary lepkości i elektrochemiczna spektroskopia impedancji (electrochemical impedance spectroscopy, EIS).

Test kulki lutowniczej (Solder Ball Test)

Test kulek lutowniczych określony przez IPC-TM-650 2.4.43 jest szybkim testem, który wskazuje zdolność pasty lutowniczej do koalescencji podczas lutowania rozpływowego. Ta technika wskazuje na wymienione powyżej trzy główne mechanizmy degradacji pasty. Jeśli reakcja topnika z proszkiem zużyje zbyt dużo aktywatora topnika lub rozpuszczalniki wyparują, proszek lutowniczy nie ulegnie koalescencji, tworząc pojedynczą kulkę lutowia. Jeśli pasta lutownicza zostanie zawilgocona, może dojść do rozprysków lutowia.

Test kulek lutowniczych jest szybki i niedrogi, ale jego powodzenie w dużej mierze zależy od przeszkolenia operatora. Dodatkowo jest to test jakościowy, a nie ilościowy, i jako taki podlega subiektywnej interpretacji.

Lepkość

Pomiar lepkości pasty lutowniczej przeprowadzony zgodnie z IPC-TM-650 2.4.34 może wskazywać na degradację pasty lutowniczej. Ta technika jest powszechnie stosowana przez producentów past lutowniczych podczas ponownej certyfikacji pasty lutowniczej po jej pierwotnej dacie ważności. Ta technika wykrywa typowe mechanizmy degradacji, które ograniczają okres trwałości pasty lutowniczej. Jeśli reakcja topnika z proszkiem zaszła zbyt daleko lub rozpuszczalniki wyparowały, lepkość pasty wzrośnie. Wyższa lepkość jest bezpośrednią przyczyną niektórych błędów drukowania, takich jak nienadrukowane pady lub niedostateczny depozyt pasty.

Test lepkości jest stosunkowo szybki, ale wymaga zużycia dużej, określonej przez IPC-TM-650 2.4.34, ilości pasty lutowniczej. Wiskozymetry dają ilościowe wskazanie jakości pasty lutowniczej, ale często wykazują znaczną zmienność pomiarów. Do pomiaru lepkości pasty lutowniczej przy użyciu małej próbki pasty lutowniczej mogą być również używane reometry, są one jednak drogie i aby można było ich niezawodnie używać wymagają specjalistycznego szkolenia, co czyni tę metodę niepraktyczną dla celów regularnej kontroli jakości produkcji.

Spektroskopia impedancji elektrochemicznej

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) zapewnia ilościowe wskazanie jakości pasty lutowniczej, uzyskane poprzez monitorowanie podstawowych reakcji chemicznych zachodzących w paście lutowniczej. Ta technika wykazuje główne mechanizmy degradacji pasty lutowniczej, takie jak parowanie rozpuszczalników, absorpcja wilgoci i interakcja między topnikiem a proszkiem.

Pomiary EIS są szybkie, wymagają minimalnego szkolenia i można je wykonać za pomocą ręcznego narzędzia pomiarowego na hali produkcyjnej, na przykład Vision MARK-1 firmy Insituware.

Po wykonaniu pomiaru EIS za pomocą Vision MARK-1, do pasty lutowniczej podawany jest niewielki sygnał elektryczny i mierzona jest odpowiedź prądowa. Wyniki są dostarczane jako współczynnik topnika (flux coefficient, FC), właściwości dielektryczne topnika oraz współczynnik reaktywności proszku (powder reactivity coefficient, PRC), opisujący interakcję między topnikiem a proszkiem.

Właściwości te są skorelowane z wydajnością drukowania i lutowania rozpływowego pasty lutowniczej, a wyniki pomiarów można natychmiast wyświetlić na ekranie. Pomiary są automatycznie synchronizowane z internetową aplikacją internetową SPC Insituware, w której zachowania i wzorce materiałów można przeglądać na podstawie wielu pomiarów dokonywanych w różnym czasie.

Ustanów indywidualny program kontroli jakości

Niezależnie od podejścia, najważniejszym krokiem kontroli jakości pasty lutowniczej jest monitorowanie jej parametrów bezpośrednio na hali produkcyjnej. Nie wystarczy polegać wyłącznie na dacie ważności pasty lutowniczej, ponieważ sposób obchodzenia się z nią, warunki przechowywania i wpływ otoczenia mogą zmienić parametry pasty lutowniczej. Regularne pomiary materiałów na hali produkcyjnej są niezbędne do stworzenia doskonałego programu kontroli jakości i ustanowienia niezawodnego procesu produkcji.

Źródło: Strategies for Solder Paste Quality Control, © Insituware