Одно из важнейших требований к производителям микроэлектронике, появившееся в последние годы — это использование материалов, не содержащих галогенов (halogen free - HF). Связано это, прежде всего, со стремлением снизить негативное воздействие на окружающую среду. Галогеносодержащие материалы широко использовались в электронике в качестве материалов, предотвращающих окисление поверхностей печатных плат и контактов. Тем не менее, известно, что галогеносодержащие соединения, входящие в состав паяльных материалов, при утилизации образуют диоксины, являющиеся одними из самых высокотоксичных органических загрязнителей.

Стремительное развитие технологий HF в микроэлектронике началось после разработки IPC/ JEDEC положений об использовании соединений хлора и брома. Японская Промышленная Ассоциация по Развитию Электроники (JEITA), в свою очередь, выпустила рекомендации по предельно допустимой концентрации (ПДК) галогенов в паяльных материалах, относящихся к категории HF. IPC, ввиду тенденции к развитию безгалогенного производства, пересмотрела «Требования, предъявляемые к паяльному флюсу» в стандарте J-STD-004B.

СтандартПДК
IEC 61249-2-21
IPC 4101B
Cl < 0,09%
Br < 0,09%
Cl,Br суммарно < 0,15%
JEITA ET-7304A F < 0,1%
Cl < 0,1%
Br < 0,1%
I < 0,1%

Следует принять во внимание, что галогеносодержащие материалы широко использовались при производстве флюсов для паяльных паст. Основной задачей флюса является удаление оксидной пленки с поверхности контактных площадок и выводов компонентов, что схематично изображено на рисунке 1. Это является необходимым условием для создания паяного соединения.

1. Галогены реагируют с оксидной пленкой на поверхности металла и образуют галоидные соединения.
2. Органическая кислота восстанавливает галоген.
3. Восстановленный галоген.

Рис. 1 Процесс удаления оксидной пленки галогеносодержащими флюсами
Рис. 1. Процесс удаления оксидной пленки галогеносодержащими флюсами
Рис.2 Зависимость химической активности от температуры
Рис. 2. Зависимость химической активности от температуры

Однако стоит отметить, что химическая активность галогенов и органических кислот различны и зависят от температуры (рис. 2)

Иными словами, галогены, входящие в состав флюсов, являются эффективными катализаторами даже при низкой концентрации.

У флюса, не содержащего в своем составе галогенов (HF флюс), процесс восстановления металла идет медленнее, чем у галогеносодержащего флюса. Таким образом, HF флюс часто ассоциируется с дефектами пайки, вызванными плохой смачиваемостью (холодная пайка, шарики припоя).

Для того чтобы HF-флюс обладал такой же реакционной способностью, как флюс с содержанием галогенов, необходимо значительное увеличение количества активаторов. Тем не менее, наличие слишком большого количества активаторов может негативно повлиять на свойства паяльной пасты и вызвать появление дефектов печати, связанных с повышенной вязкостью или резким падением поверхностного сопротивления остатков флюса после оплавления.

Концепция производства безгалогенных паяльных паст с хорошей смачиваемостью и производство S3X58-M555

При производстве безгалогенных паяльных паст важно сфокусироваться на том, чтобы флюс не терял свою химическую активность во всем диапазоне температур процесса оплавления. Флюс, входящий в состав HF паяльных паст должен не только обладать химической активностью в широком диапазоне температур, но и обеспечивать стабильную вязкость паяльной пасты в процессе оплавления.

Новый метод стабилизации путем добавления активаторов показан на рисунке 3. Исследования подтвердили хорошую смачиваемость и стабильность свойств паяльной пасты.

Рис. 3 Изменение температуры активации флюса за счет введения стабилизаторов
Рис. 3 Изменение температуры активации флюса за счет введения стабилизаторов
Рис.4 Изменение вязкости при хранении при температуре 30 °С
Рис.4 Изменение вязкости при хранении при температуре 30 °С

На рисунке 4 показано изменении вязкости при хранении при температуре 30 °С (исследование для оценки стабильности вязкости). Флюс, входящий в состав классической HF пасты химически активен при 30°C, поэтому во время хранения изменяются характеристики паяльной пасты, а именно вязкостные свойства. При комнатной температуре в паяльной пасте KOKI S3X58-M555 не происходит реакции между порошком припоя и флюсом благодаря добавлению специальных стабилизаторов в состав последнего. Данная паяльная паста сохраняет свои свойства при хранении как в холодильной камере, так и при комнатной температуре, оставаясь пригодной для печати.

Ниже приведены результаты тестов плавления паяльных паст.

Теплопроводность

Быстрое развитие SMT-технологий (уменьшение размеров чип элементов до типоразмера 0201, появление микросхем в корпусах BGA, QFP, увеличение плотности монтажа компонентов) позволило не только уменьшить размер изделий, но и привело к появлению новых типов дефектов пайки, которые в большинстве случаев невозможно обнаружить одним лишь внешним осмотром. К таким дефектам относится, например, «head-in-pillow» (дефект «голова на подушке»).

Рис. 5 Дефект Head-and-pillow при пайке BGA
Рис. 5 Дефект Head-in-pillow при пайке BGA

Флюс в составе обычной паяльной пасты не сохраняет свою химическую активность в течении всего цикла оплавления (быстро «выгорает»), оксидная пленка на шариках выводов BGA удаляется не полностью, как результат - может возникнуть такой дефект паяного соединения, как «head-in-pillow».

Сохранение химической активности флюса за счет добавления активаторов при широком диапазоне температур

Рис. 6 Сохранение химической активности флюса на широком диапазоне за счет добавления активаторов
Рис. 6 Сохранение химической активности флюса на широком диапазоне за счет добавления активаторов

В отличии от обычной паяльной пасты, паста S3X58-M555, благодаря добавлению различных стабилизаторов в состав ее флюса, сохраняет свойства во всем диапазоне температур (рис. 6) и может эффективно применяться для пайки BGA. Дефект «голова на подушке» при этом не возникает.

Смачиваемость при пайке на различных финишных покрытиях

На рисунке 7 показаны результаты испытаний смачиваемости на подложках с различными покрытиями.

Рис.7 Тест на смачиваемость на окисленном покрытии
Рис.7 Тест на смачиваемость на окисленном покрытии

Очевидно, что тенденция к принятию всё больших мер для защиты окружающей среды в электронной промышленности будет продолжаться и в будущем.

Как ведущий производитель паяльный материалов, компания KOKI стремится предоставлять своим клиентам продукты, которые не только превосходят их ожидания, но и разрабатываются с учетом всех требовании по защите окружающей среды.