Эксперимент по изучению надежности паяных соединений светодиодов, часть 1

Авторы: Андрей Черняк, Виталий Щекин

[email protected]

Коммерческое применение мощных светодиодов резко увеличилось по сравнению с обычными технологиями освещения в связи с высокой надежностью светодиодов, длительным сроком службы и их универсальностью. Есть большие перспективы в применении светодиодных светильников в производстве и в быту, в помещениях и на улице.

Светодиодные светильники всё чаще востребованы для удовлетворения высоких стандартов надёжности и долгосрочной стабильности светового потока. Уникальные достоинства мощных светодиодов обеспечивают широкое внедрение этой технологии на рынках, где они раньше доминировали традиционные технологии освещения. Одним из основных преимуществ светодиодных световых решений является долгосрочная надежность. Следовательно, получение долгосрочной высокой надежности системы имеет решающее значение для светодиодного освещения.

В связи с ростом экологических проблем и недавно принятым в Европейском союзе законодательством (Директива RoHS Европейского Союза (Restriction of use of certain Hazardous Substances) о запрете использования в электрических и электронных товарах шести вредных веществ, одним из которых является Pb «Свинец»),оловянно-свинцовые (Sn-Pb) припои в настоящее время заменяются бессвинцовыми.

Наиболее распространенными сплавами для замены Sn-Pb являются сплавы олова, серебра и меди (Sn-Ag-Cu, SAC). Тем не менее, несмотря на большое количество проведённых исследований, пока не выработано единой позиции о том, какой именно бессвинцовый припой является наилучшим. Так же в случае бессвинцовых припоев имеет большое значение тип применяемого флюса, так как он в значительной степени влияет на смачиваемость и образование пустот.

Надежность паяного соединения между корпусом светодиода и печатной платой имеет очень большое значение в обеспечении общей надежности светодиодного светильника.  Данная статья описывает исследование надежности паяных соединений мощных светодиодов с помощью рентгеноскопии, а также термографирования. Следующим этапом мы планируем провести исследования на основе термоциклирования, чтобы изучить процесс образования трещин в паяном соединении и оценить влияние количества пустот на этот процесс (о результатах читайте в следующей статье).

Целостность паяных соединений между светодиодом и печатной платой является одним из ключевых факторов, определяющих долгосрочную стабильность светового потока и надежность светодиодной продукции. Именно через паяное соединение происходит основной теплоотвод от  светодиода, и дефекты в нём могут сильно изменить тепловой баланс диода. Надежность паяного соединения зависит не только от припоя, но также и от металлизации в корпусе светодиода и формы токоведущих дорожек печатной платы. Кроме того, имеет значительное влияние профиль оплавления при бессвинцовой технологии, поскольку он влияет на процесс смачивания и образование микроструктур в толще паяного соединения. Поврежденное или частично сформированное паяное соединение может вызвать обрыв цепи, ведущий к полному отказу устройства, либо перегрев, который вызовет значительное сокращение времени жизни светодиода.

Типичное устройство мощного светодиода показано на рис.1.

Как видно, отведение тепла от кристалла происходит через теплоотвод, припаиваемый к плате. В случае если пайка в данной области будет с большим количеством пустот, тепловое сопротивление резко возрастет, и кристалл будет работать при повышенной температуре, что ускорит его деградацию.

Рис. 1. Устройство мощного светодиода (a – линза, b – кристалл, c – теплоотвод, d – корпус)

Дефекты паяных соединений

Основными дефектами в паяных соединениях SMT монтажа являются образование пустот (газовых раковин),пористость, непропаи и трещины.  Пустоты и поры в паяном соединении возникают в силу разнообразных причин: уменьшение растворимости или испарения газов в металлах при переходе из жидкого состояния в твёрдое, загрязнения поверхностей паяемых деталей, особенности финишного покрытия контактных площадок, избыточное количество флюса и прочее.

Пустоты нарушают непрерывность паяного соединения и отрицательно сказываются на его прочностных характеристиках, поэтому нужно создавать такие условия, при которых пустоты можно будет свести к минимуму правильным выбором типа флюса и термопрофиля.

Факторы, влияющие на качество паяных соединений:

1. процессы сборки и пайки
• установка детали
• фиксация детали
• изгибание и деформация печатной платы
• тип паяльного оборудования и форма термопрофиля
• атмосфера в процессе пайки
2. особенности конструкции
• конструкция контактов
• особенности схемы
• геометрия платы
3. материалы
• тип флюса/припоя/паяльной пасты
• материал платы (FR4/Al/AlN)
• финишное покрытие контактов
4. влияние окружающей среды
• диапазон рабочих температур
• влажность
• вибрация
• электрические нагрузки

Методика проведения эксперимента

Подавляющее большинство производителей LED-светильников заинтересованы в повышении качества своей продукции. Как было сказано выше, одним из важнейших факторов, влияющих на надежность и качество работы светодиодных модулей, является качество паяного соединения. Поэтому для определения наиболее подходящего производителю паяльного материала стало необходимым провести подобное исследование.

Поскольку процессы, происходящие в паяном соединении, весьма сложны, и все влияющие факторы невозможно учесть при тестировании на абстрактной тестовой плате, в данном исследовании испытывались серийно производимые платы светодиодных модулей.

В работе принимали участие компании: ООО «Завод «Световые технологии» (г. Рязань),ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург),ОАО "Орбита" (г. Саранск),ООО «Эдвин» (г. Рязань).

Всего в различных типах исследования было изучено 9 типов паяльных паст:

Для исследования были предложены печатные платы FR-4  1мм  с покрытиями HAL, ImAu и OSP, и Al 1.5 мм с покрытием HAL. Несмотря на то, что некоторые пасты содержат одинаковый тип сплава в припое, различие в пайке может быть весьма  велико вследствие разного применяемого флюса и присадок, процентного соотношения флюса и припоя и других факторов.

 Сплавы в исследуемых пастах:

• SAC305 (Sn96.5Ag3Cu0.5) – наиболее широко применяемый бессвинцовый припой (температура плавления 217°C). Сравним по надёжности с Sn-Pb припоями, при этом является более пластичным. Стойкость к ударным воздействиям ниже, чем у Sn-Pb припоев.
• SACXPLUS 0807 – бессвинцовый припой, весьма близкий по свойствам SAC305, при этом имеющий сниженное до 0.8% содержание серебра, что значительно сокращает его стоимость. Температура плавления 225°С.
• Sn62Pb36Ag2 – свинец-содержащий эвтектический припой с точкой плавления 179°С.
• Sn42Bi57.6Ag0.4 – низкотемпературный припой (температура плавления 138°С) с хорошей смачиваемостью. Твердость ниже, чем у Sn-Pb припоев, при этом пластичность значительно выше. Следует не допускать загрязнения сплава свинцом во избежание появления эвтектического сплава SnBiPb с температурой плавления 90°С.

Типы финишных покрытий:

1. HAL. Покрытие представляет собой слой эвтектического сплава Sn-Pb толщиной, как правило, от 1 до 40 мкм. Главное и несомненное достоинство HAL – обеспечение отличной паяемости печатной платы и ее долговременное сохранение. Общим недостатком HAL является неравномерность покрытия, вызванная образованием наплывов припоя (в особенности – на больших металлизированных площадках) и ведущая к образованию неплоских контактных площадок. Кроме того, возможно образование перемычек. С точки зрения производителя печатных плат, HAL-процесс требует интенсивного обслуживания, вреден для здоровья, пожароопасен и требует значительных начальных капиталовложений.
2. ImAu. Покрытие из химического никеля/иммерсионного золота (ImAu/NiAu) представляет собой тонкую (~ 0,05 – 0,2 мкм) золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля (~ 4 – 5 мкм). Золото хорошо растворяется в припое, не подвержено быстрому потускнению и окислению, поэтому представляется прекрасным выбором в качестве финишного покрытия. Иммерсионное золото наносится как на чистую медь, так и на подслой предварительно нанесенного химическим методом никеля. Следует отметить, что большинство материалов, наносимых химическим или электрохимическим способом, пригодны для бессвинцовой пайки, хотя их время жизни может быть ограничено 6 месяцами. Все процессы иммерсионного нанесения имеют ограниченное время жизни, так как их свойства неизбежно деградируют со временем. Разложение этих материалов еще более ускоряется в условиях повышенной температуры и влажности. Любой физический контакт с покрытием, нанесенным химическим или электрохимическим способом, скорее всего, ухудшит паяемость. Печатные платы, защитное покрытие на которые нанесено с помощью ENIG-процесса, могут иметь характерный дефект, называемый «черная контактная площадка» («black pad»). В результате возникновения данного дефекта образуются механически непрочные паяные соединения, которые могут треснуть и/или отслоиться даже под действием минимальной нагрузки.
3. OSP. В качестве альтернативного покрытия по отношению к металлическим применяются органические защитные покрытия (OSP – organic solderability preservative). Они состоят из органического слоя (на основе бензотриазола или имидазола),лежащего непосредственно на готовой к пайке медной поверхности и защищающего ее от окисления. Процесс нанесения такого покрытия прост и легко химически контролируем, при этом не повреждаются золотые немаскированные области, если они присутствуют на печатной плате. Покрытие довольно дешевое, требует существенно меньших начальных инвестиций для своей реализации, чем HAL, и является более безопасным для окружающей среды. Толщина покрытия обычно составляет 0,2 – 0,6 мкм. Покрытие OSP совместимо с водоотмываемыми (органическими) и RMA-флюсами, но может быть несовместимо с менее активными флюсами, такими, как канифольные флюсы, не требующие отмывки.

В исследовании использовались светодиоды SvL-03Р1-Fx-xx-A011, Seoul STW8Q14BE, Seoul U7D0Z2, NICHIA NS2L757AT-V1, LG LEMWS53T80JZ10.

Для свинец-содержащих паст использовался стандартный (используемый для сборки серийной продукции) профиль оплавления (заданная пиковая температура 230 ^ОС, реальная на плате - 217 ^ОС).

Для бессвинцовых паст (кроме висмутовой пасты 9) использовался  профиль, рекомендованный производителем паст (заданная пиковая температура 260 ^ОС, реальная - 250 ^ОС).

Рис. 2. Профиль оплавления для свинец-содержащих (а) и бессвинцовых (б) паст

Исследование было разделено на два этапа:

• Термографирование и рентгеновский анализ
• Термоциклирование с последующим анализом микрошлифов.

В данной статье будет рассмотрен первый этап. Результаты второго этапа исследования будут опубликованы позднее.

Визуальный осмотр паяных соединений

Свинец-содержащие паяльные пасты 5 и 7 показали хорошую смачиваемость поверхности и образование галтели припоя, причем поверхность паяного соединения для пасты 5 незначительно более матовая, чем для пасты 7 (что облегчает визуальную инспекцию паяных соединений). Пасты  4 и 8 показали смачивание несколько хуже, причем если для пасты 8 результат можно считать удовлетворительным, то для пасты 4 смачивание недостаточное, заметны черные остатки флюса. У пасты 8 растекание по площадке хорошее, однако, смачиваемость выводов недостаточная. Это может быть связано с малой активностью флюса, или покрытием выводов, слабо смачиваемым низкотемпературным свинец-содержащим припоем. 

Рис. 3 А. Светодиоды, смонтированные с применением свинец-содержащих паст (паста 7, HAL и паста 5, HAL)

Рис. 3 Б. Светодиоды, смонтированные с применением свинец-содержащих паст (паста 4, HAL; паста 5, HAL; паста 8, HAL)

При сравнении результатов пайки с использованием бессвинцовых паст (1, 2, 3, 6, 9) для всех паяных соединений (кроме 9) наблюдалось неполное растекание паяльных паст по контактным площадкам, причем независимо от типа покрытия площадок – ImAg или HAL. Наиболее глянцевая поверхность паяных соединений наблюдалась у пасты 1.

Рис. 4 А. Светодиоды, смонтированные с применением бессвинцовых паст (паста 6, HAL; паста 1, HAL; паста 3, HAL)

Рис. 4 Б. Светодиоды, смонтированные с применением бессвинцовых паст (паста 3, OSP; паста 2, OSP; паста 9, OSP)

Пасту №9 стоит рассмотреть отдельно, поскольку в её состав входит висмут. Cостав припоя Sn-Bi-Ag обеспечивает данной пасте хорошие смачивание и пластичность (выше, чем у оловянно-свинцовых сплавов),и наиболее низкую температуру плавления (138°C),соответствуя при этом требованиям RoHS. В данном случае отмечена наилучшая смачиваемость среди всех бессвинцовых припоев, с образованием галтели, поверхность глянцевая.

Остатки флюса у всех испытанных паст твердые, прозрачные, присутствуют в небольшом количестве.

Рентгенографирование

Для 16 образцов плат было проведено рентгеновское исследование паяных соединений для определения количества пустот (газовых раковин),образовавшихся в процессе оплавления паяльной пасты. Исследовалось не менее 30% светодиодов с каждой платы, в общем итоге 129 диодов. В ходе исследования была отмечена следующая закономерность: наибольшая концентрация пустот крупного размера на всех видах паст и покрытий наблюдалась в области теплоотводящей площадки, в то время как пустоты малого размера концентрировались в области контактов светодиода.

Чтобы исключить двойственное трактование данных и лишние факторы влияния, результаты рентгеновского анализа будем приводить в соответствии с типом исследуемой платы.

• пасты 1, 2, 3; покрытие OSP, плата FR4, 1мм.

Пасты 1 и 2 показали достаточно хорошие и близкие друг к другу результаты, с незначительным количеством пустот, достаточно равномерно рассеянных в толще припоя. Количество пустот для пасты 3 несколько выше. Образование шариков отмечено только для пасты 3, в незначительном количестве.

Рис. 5. Рентгеновские снимки светодиодов, пасты 1, 2, 3 ( паста 1- 3,7%; паста 2- 3,7%; паста 3- 6,2%)

• Пасты 4, 5; покрытие HAL, плата Al, 1.5мм.

Данные образцы имеют примерно равные показатели образования пустот. Пустоты имеют небольшой размер и равномерно рассеяны в толще припоя.

Рис. 6. Рентгеновские снимки светодиодов, пасты 4, 5 (паста 4- 2,5%;  паста 5- 2,2%)

• Пасты 1, 3, 5, 6, 7; покрытия HAL, ImAu, плата FR4, 1мм.

Было отмечено значительно большее количество пустот крупного размера в области теплоотводящей площадки на платах с покрытием ImAu (испытывалось только с бессвинцовыми пастами),чем на других покрытиях. Образование мелких пустот замечено на всех исследованных образцах, но наименьшим эффект был для пасты 5 с покрытием HAL. Мелкие поры возникают, как правило, на стадии предварительного нагрева из-за быстрого нагрева и испарения растворителя паяльной пасты. Для паяльных паст 1, 3 и 6 несколько большее количество мелких пустот объясняется большей силой поверхностного натяжения бессвинцовых припоев по сравнению со свинец-содержащими (5, 7),что затрудняет выход пузырьков из жидкого припоя. Образование шариков припоя для всех паст носило единичный характер. Более светлый оттенок выводов для пасты 6 на рисунке 7 указывает на меньшую толщину слоя припоя.

Рис. 7 А. Рентгеновские снимки светодиодов, пасты 1, 3  (паста 1, HAL, 4,7%; паста 1, ImAu 8,3%; паста 3, HAL, 8,6%; паста 3, ImAu, 9,8%)

Рис. 7 Б. Рентгеновские снимки светодиодов, пасты 5, 6, 7  (паста 5, HAL, 2,2%; паста 6, HAL, 6,4%; паста 6, ImAu, 9%; паста 7, HAL, 3,5%)

• Пасты 3, 8; покрытие HAL, плата AL 1.5мм.

Количество пустот для паст 3 и 8 весьма незначительно. Более того, большинство исследованных образцов для пасты 3 на данных платах вообще не показало образование пустот, несмотря на то, что это бессвинцовая паста. Также  рентгенографирование наглядно показало образование шариков припоя в процессе оплавления, даже если они не были замечены при визуальном осмотре (в частности, под компонентом). При сравнении паст 3 и 8 было отмечено избыточное образование шариков припоя при использовании пасты 8.  Хотя данный результат можно частично скорректировать подбором термопрофиля и апертуры трафарета, столь большое количество шариков припоя может говорить о недостаточном качестве флюса, неправильном хранении пасты или наличии посторонних примесей в пасте.

Рис. 8. Рентгеновские снимки светодиодов, пасты 3, 8 (паста 3 HAL 0.05%; паста 8 HAL 1.7%)

• Паста 9, покрытие OSP, плата FR4, 1мм.

Для этой паяльной пасты на основе висмута отмечено весьма незначительное образование мелких газовых раковин, равномерно распределенных в толще припоя. Образование шариков припоя в большинстве образцов отсутствует или весьма незначительно. Данная паяльная паста вследствие низкой температуры плавления должна применяться в случаях, когда температуры оплавления Sn-Pb и тем более Pb-Free процессов могут привести к повреждению компонентов на плате, или деформации самой платы. Следует избегать покрытий контактных площадок или выводов компонентов сплавами с содержанием свинца, поскольку может образоваться низкотемпературный (90°С) сплав олово-висмут-свинец. Температура эксплуатации изделия не должна превышать 80°С.

Рис. 9. Рентгеновские снимки светодиодов, паста  9, OSP 0,9%

Термографирование

Целью данного исследования было выяснить, влияет ли тип финишного покрытия и паяльной пасты на тепловой режим светодиодного модуля. Испытывались печатные платы с покрытием HAL и OSP, и паяльные пасты 1, 3, 5, 6, 7. Испытываемые платы фотографировались через 1 минуту после подачи номинального питания, через 5, 15, и 30  минут.

Результаты исследования плат показали хорошую гомогенность для всех испытанных образцов. Максимальный нагрев наблюдался на крайних светодиодах, что объясняется меньшей площадью теплоотвода контактных площадок по сравнению с центральными диодами. Провалы по обе стороны от пика соответствуют паяным соединениям, имеющим высоко отражающую поверхность, а значит, минимально излучающую во всем спектре. В результате исследования было установлено, что распределение температуры платы слабо зависит от типа паяльной пасты и типа финишного покрытия. Гораздо большее влияние оказывает рисунок печатного монтажа платы, в частности площадь дорожек, к которым подключены теплоотводящие площадки светодиодов, и разброс параметров самих светодиодов.

• 1 тип плат: FR4, 1 мм; 6 диодов SvL-03Р1-Fx-xx-A011, паста 1, HAL (у образцов с другими паяльными пастами результат аналогичный). Номинальное напряжение - 18 В; номинальный ток - 300 мА.

Рис. 10. ИК-снимок печатных плат и соответствующий график температур - 1 минута

Рис. 10. ИК-снимок печатных плат и соответствующий график температур - 5 минут

Рис. 10. ИК-снимок печатных плат и соответствующий график температур - 15 минут 

Рис. 10. Инфракрасный снимок печатных плат и соответствующий график температур - 30 минут

Из рис.10 видно, что теплоотведение от светодиодов такой мощности посредством только печатного монтажа не является достаточным: средняя измеренная температура светодиода в рабочем режиме равна 85°С, а для отдельных плат достигает значений выше 100°С, в то время как температура платы между светодиодами не выше 40°С. При такой рабочей температуре скорость деградации люминофора и кристалла гораздо выше, чем при более низких температурах.

Для снижения температуры светодиодов необходимо оптимизировать рисунок печатного монтажа, либо использовать радиаторы или принудительную конвекцию.

• Косвенно о качестве теплоотвода от светодиодов можно судить по разбросу рабочих температур диодов, смонтированных при прочих одинаковых условиях. Например, при приблизительно равномерном нагреве светодиодов, спаянных пастой 5 (см. рис.11 А) можно предположить стабильное качество паяных соединений под светодиодом. В то же время, более высокая температура одного из диодов, спаянных пастой 6 (см. рис 11 Б) может косвенно свидетельствовать о наличии большего количества пустот под ним, и как следствие возможно скорую его деградацию.

Рис. 11 А. Неравномерность нагрева светодиодов (для пасты 5)

Рис. 11 Б. Неравномерность нагрева светодиодов (для пасты 6)

•  2й тип плат: FR4, 1 мм; 45 диодов NICHIA NS2L757AT-V1, паяльная паста 9, покрытие OSP. Номинальное напряжение – 120 В; номинальный ток – 60 мА

Рис. 12 А. Инфракрасные снимки печатных плат и соответствующие графики температур, 1 минута

Рис. 12 Б. Инфракрасные снимки печатных плат и соответствующие графики температур, 5 минута

Рис. 12 В. Инфракрасные снимки печатных плат и соответствующие графики температур, 15 минут

Рис. 12 Г. Инфракрасные снимки печатных плат и соответствующие графики температур, 30 минут

Из рис.12 видно, что тепло эффективно отводится от светодиода, и площадки печатной платы, выполняющие роль радиаторов, имеют температуру почти равную температуре самого светодиода. Температура в самой горячей точке платы не достигает 33°С.

Таким образом, используемая паста с содержанием висмута может безопасно применяться в производстве данных плат.

Термографическое исследование не обнаружило различий между светодиодными модулями, собранными с помощью различных типов паяльных паст. Это означает, что требуются иные, более традиционные и длительные методы исследования, как например, термоциклирование. Результаты такого исследования мы постараемся отобразить в следующей статье.

ВЫВОДЫ

В данной работе было проведено исследование качества паяных соединений мощных светодиодов для серийно производимых плат от отечественных производителей с использованием различных типов паяльных паст и финишных покрытий. В некоторых случаях были выявлены значительные различия в качестве пайки. У большинства образцов отмечено образование допустимого количества пустот в толще припоя (по IPC не более 25%),для бессвинцовых паст этот эффект выражен сильнее.

Отмечено значительно большее образование пустот для плат с финишным покрытием контактов иммерсионным золотом. В ряде случаев дефекты можно снизить подбором апертур трафаретов и профилей оплавления, что, однако, потребует дополнительного исследования. Результаты, показанные альтернативными пастами, при определенных условиях дают меньшее образование пустот и лучшую смачиваемость, однако окончательные выводы можно будет сделать после проведения тестов на термоциклирование. Корреляции типа финишного покрытия и паяльной пасты и параметров теплового режима светодиодного модуля (не подвергавшегося длительной работе или искусственному состариванию) не выявлено.

Следует отметить, что целью исследования было не определение наилучшей паяльной пасты, а подбор наиболее подходящих типов пасты для технологического процесса каждого производителя, что в конечном итоге должно повысить общее качество производимой продукции.

Прочитайте вторую часть статьи, тесты на термоциклирование.

Благодарности

Авторы выражают благодарность компаниям Alpha (Alent plc Сompany, США-Великобритания-Венгрия),  ООО «Завод «Световые технологии» (г. Рязань),ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» (г. Санкт-Петербург),ОАО «Орбита» (г.Саранск),ООО «Эдвин» (г.Рязань) за предоставленные образцы печатных плат и паяльных материалов. Также хотим выразить благодарность Балтийскому Федеральному Университету (БФУ) им. И. Канта за помощь в проведении исследований.

Литература

1. Н.П Калиниченко, М.О. Викторова «Атлас дефектов паяных соединений», издательство Томского политехнического университета, 2012.
2. Vern Solberg. Part 3: Specifying Base Materials for SMT Circuit Boards/SMT – September, 2005.
3. Материалы сайта www.alphametals.ru
4. Ellen Tormey, Ph.D., R. Raut, et al. « Low voiding reliable solder interconnects for led packages on metal core pcbs » - 2011.

Наиболее широко применяемый бессвинцовый припой (температура плавления 217°C). Сравним по надёжности с Sn-Pb припоями, при этом является более пластичным. Стойкость к ударным воздействиям ниже, чем у Sn-Pb припоев.