Что такое компаунд на плате

BGA пайка с нуля

BGA — это тип корпуса микросхем. Микросхема припаивается при помощи шариков к плате. Благодаря этому уменьшается площадь платы, и повышается компоновка в целом. Основные неисправности при этом это так называемый отвал микросхемы от платы. Поговорим поподробнее об основных способах накатки, трафаретах и процессе пайки.

Что такое микросхемы BGA

В зависимости от назначения и устройства микросхемы бывают разного размера, что в свою очередь влияет на диаметр и шаг шариков.

Например, мост от материнской платы компьютера и процессор от смартфона отличаются колоссально (еще меньше разве что шарики от процессора к подложке).

Так же BGA микросхемы часто покрывают компаундом в целях охлаждения, защиты от влаги и механического воздействия, однако при этом получается намного сложнее сделать замену такой микросхемы.

Что нужно для пайки BGA

Паяльная станция (фен и паяльник), припой (bga паста или шары), пинцет, изопропиловый спирт (или бензин калоша), оплетка для снятия припоя, термоскотч и трафареты. Еще понадобится нижний подогрев и инструменты для удаления компаунда с платы (химикаты, острые пинцеты и лезвия).

Какие бывают трафареты

Трафареты бывают очень разные.

Шаг между контактами, диаметры шариков и их уникальное расположение могут потребовать свой уникальный рисунок. Иногда они продаются как отдельно друг от друга, так и в сборке. Например, для iPhone разных моделей продаются прямоугольные трафареты сборники, где есть все необходимые рисунки.

Есть универсальные, у которых нет «рисунка» и ими можно накатывать разные микросхемы.

На фотографии сверху расположен трафарет для процессора iPhone. Он универсален, и отлично подойдет для MTK процессоров.

Универсальные трафареты подходят только в том случае, если шаг и диаметр шариков совпадает и нет хаотичного расположения. То есть, контакты должны быть прямолинейными, но если контакты находятся чуть-чуть не по прямой линии, то тут такие трафареты не особо помогут. Специализированные же имеют рисунок, и ими легче наносить шарики.

Однако не всегда в наличии есть нужный трафарет и его отдельно приходится заказывать. Так же есть и 3D трафареты, которые очень удобно крепятся. Есть как одиночные трафареты, так и на одном листе все сразу.

Еще к трафаретам предъявляются высокие требования качества. Они не должны быть гнутыми, мятыми, иметь большие царапины, резко гнуться от небольшого нагрева. Также имеет значение качество отверстий. Они должны быть строго по рисунку BGA, одинаковых размеров и без перекосов.

Припой

Есть два основных типа припоя для накатки шаров.

Паяльная паста

Паяльная паста — это тоже самое, что и обычный припой с флюсом. Только она имеет пастообразную форму.

В этой пасте содержится флюс и микроскопические шарики из припоя.
Преимущества пасты:

• Пасту удобно наносить на трафарет;
• Не требует много места для хранения;
• Можно использовать на любом трафарете;
• Позволяет восстанавливать оторванные контакты на микросхеме и плате

Недостатки пасты:

• Шары получаются не одинаковых размеров;
• Паста со временем высыхает (можно, конечно, разбавить с другим флюсом, но у нее уже не будет прежних свойств);
• Шары можно получить только с использованием трафаретов;
• Большой расход для крупно габаритных микросхем.

Из популярных — можно использовать пасту от производителя Mechanic. Самые ходовые и популярные — это XG30 и XG50. Продается в небольших баночках (есть разные размеры) и шприцах.

Температура плавления от 180 ℃. Хранится при температура от 0 ℃ до +10℃. Кстати, шарики в этой пасте начинаются с диаметром от 25 микрон (а в некоторых баночках и от 20). Такой диаметр шариков в домашних условиях трудно сделать, поэтому самодельные пасты уступают заводским.

Готовые шарики

Готовые шарики продаются разных диаметров. Бывают как 0,15 мм, так и 1 мм.

Преимущества готовых шаров:

• Их проще паять, чем паяльную пасту (именно паять, а не наносить);
• Возможность нанесение шаров без трафарета (каждый шарик отдельно припаивается на микросхему);
• Одинаковые размеры шаров, по сравнению с пастой;
• Лишние шарики после накатки можно использовать повторно/

Недостатки готовых шаров:

• Нужно покупать много шариков разных диаметров, поэтому итоговая стоимость будет выше, по сравнению с пастой;
• Неудобное нанесение шариков на трафарет, их нужно перебирать и отсеивать лишнее;
• Требуется дополнительный флюс.

Выбор зависит в целом от потребностей и навыков. Кому-то проще будет с пастой. А при ремонте ПК, пасты будет мало, поэтому шары будут экономичнее. Все зависит от ситуации.

Какой паяльный флюс выбрать для BGA

Лучше всего подойдет пастообразный или гелевый флюс. Не пытайтесь паять жидкой канифолью или жиром. Канифоль и жир слабо распределяют температуру по шарикам, и еще начинают кипеть при нагреве. А это большой риск, поскольку микросхема может подскочить из-за большого парообразования. И в таком случае шарики слипнуться.

К тому же, спирто-канифоль будет негативно влиять на контакты под микросхемой.

Из бюджетных вариантов подойдет RMA 223 или его высококачественные клоны. Не покупайте дешевые подделки, которые стоят меньше 4$. Они плохо смачивают припой.

Отечественный вариант флюса для BGA — Interflux (интерфлюкс) IF 8300.

Если позволяет бюджет, то можно попробовать Martin HT00.0017.

Накатка шаров

При накатке шаров необходимо использовать чистый и ровный трафарет (особенно при пайке пастой).

Пример гнутого и грязного трафарета. Он не подойдет для накатки.

Пайка небольшой BGA eMMC микросхемы

Чистим микросхему изопропанолом. Ее контакты должны быть ровными. Если есть припой — удалите паяльником. Микросхему и трафарет во время пайки надо класть только на салфетки или деревянные дощечки. Металлическая поверхность будет впитывать в себя тепло, а деревянная, бумажная или воздушная нет.

Чем крепить микросхему к трафарету

Есть несколько вариантов. Первый — это термоскотч. Он быстро крепится, не оставляет после себя много клея и не экранирует высокую температуру. Из недостатков — быстро отклеивается и не надежно крепится по сравнению с алюминиевым термоскотчем скотчем.

Алюминиевый скотч надежно крепится к плате, но оставляет после себя много клея и экранирует температуру.

С одной стороны, алюминиевый лучше крепится, с другой быстрее и практичнее использовать обычный термоскотч. Начните учится с алюминиевого, пробуйте разные варианты.

Нанесение пасты

Пасту наносим обычной зубочисткой или лопаткой. Можно использовать ватные палочки, но они впитывают в себя много пасты.

На поверхности трафарета не должны оставаться большие комки припоя, иначе они слипнуться и придется их отпаивать.

Придерживание трафарета

Если во время нагрева трафарет начинает гнуться, и не получается нанести шары, то его нужно придерживать пинцетом.

Давить нужно не сильно, небольшим давлением. Нагреваем трафарет сначала до 100 °C, затем увеличиваем до температуры плавления пасты. Обычно это от 200 до 260 °C. Шарики должны сформироваться постепенно. Если быстро повысите температуру — флюс в паяльной пасте начнет кипеть и припой выпрыгнет с трафарета. Придется начинать все заново

Стекло и тачскрин

Также можно использовать стекло или тачскрин, чтобы придерживать трафарет.

Если перепады температур и давление буду высокими, то стекло может треснуть и лопнуть. Будьте осторожней и внимательны, используйте защитные очки.

Как снять микросхему с трафарета

Нельзя резко снимать микросхему с трафарета, гнуть его или выковыривать. Можно погнуть трафарет или сорвать BGA контакты. Если не получается снять микросхему, посмотрите на сторону отверстий. Припой на лицевой стороне не должен слипнуться с трафаретом. Попробуйте почистить трафарет с микросхемой изопропанолом или бензином Калоша щеткой несколько раз.

Далее, нагрейте микросхему до 120 °C в течении 30 секунд. Микросхему можно снимать пинцетом и только слегка разогнув трафарет, без резких движений.

Видео с примером

На видео используется другая микросхема, и пайка без пинцета.

Перекатываем шары на южном мосте

На этой микросхеме сначала нужно восстановить контакты.

Восстановление контактов

Наносим паяльную пасту тонким слоем и начинаем греть феном с 100 °C, плавно повышая до 200 °C.

И паяльная паста начинает зауживать контакты микро шариками. Почему не паяльником и обычным припоем? Они хуже подойдут для такой работы. Фен равномерно нагревает контакты, и микро шарики не слипаются сразу в большой комок припоя. А остальной припой убираем паяльником.

Один из участков восстановлен.

Таким образом проходим по всем контактам. После восстановления и удаления лишнего припоя чистим контакты изопропанолом и ватой.

Еще один способ крепления

Микросхема большая, поэтому трафарет одиночный. Для одиночных трафаретов есть специальный крепеж. Это каретка с двумя фиксаторами и пружина. Крепится шестигранником.

Фиксируем микросхему в крепеже и ровняем ее согласно шагу трафарета.

Нанесение пасты и пайка

Наносим паяльную пасту равномерно по всей площади.

На контактах микросхемы должно быть достаточно пасты, без дефицита и без перебора.

Круговыми движениями прогреваем трафарет сначала до 100 °C. Плавно повышаем температуру и одного края медленно нагреваем до 200 — 250 °C. Постепенно паста начнет превращаться в припой.

Чистим трафарет изопропанолом, чтобы разбавить флюс. Снова нагреваем трафарет до 100 °C в течении 20 секунд.

При помощи лезвия аккуратно поддеваем трафарет без резких движений со всех сторон и он сам отлипнет от южного моста (микросхемы).

Чистим микросхему от ненужных шариков и флюса. Теперь осталось подравнять шарики. Наносим флюс каплями по всей площади.

Нагреваем микросхему и шарики начинают равномерно распределяться на своих местах. После этого снова чистим микросхему от флюса.

Крепим трафарет к микросхеме и проверяем качество и наличие шариков.

Результат пайки.

Немного о нижнем подогреве

Далее, микросхема припаивается к плате. Такие массивные BGA детали трудно припаять к плате только с помощью фена. Мастера в сервисных центрах используют нижний подогрев. Он помогает разогреть плату. Обычно используются инфракрасные паяльные станции для пайки материнских плат.

Несмотря на то, что мобильные BGA микросхемы можно паять только феном, для уменьшения риска плохой пайки или отрыва контактов, мастера также используют нижний подогрев. Он меньше, чем для материнских плат, но не менее эффективен.

Готовые шары и способ нанесения

Отличается от пасты способом нанесения. Нанесите на микросхему флюс. Он нужен для того, чтобы склеить микросхему и трафарет на время пайки. И затем положите в контейнер трафарет с приклееной микросхемой и насыпьте шарики нужного диаметра. Зубочисткой распределите шарики и удалите лишние.

Пайка аналогична пасте.

Что такое компаунд и как его удалить с платы

Компаунд — это смола, которая позволяет увеличить прочность платы и уменьшить температуру работы микросхем. Также спасает плату при попадании влаги

Если нужно перепаять микросхему, компаунд придется удалить. Его наносят по разному. Производители могут нанести по краям контактов с SMD деталями. А могут и залить полностью.

Чем удалить смолу с платы

Можно удалить механически. Для этого нагреваем плату феном до 150 °C и зубочисткой или металлическим пинцетом снимаем кусочки компаунда с платы. Не всегда получается так сделать.

Еще можно попробовать химические растворители. Обычно продаются в магазине запчастей для мобильных телефонов.

А чтобы выпаять микросхему, у которой под контактами компаунд, нужен режущий пинцет. Процедура пайки аналогично обычной, но в этот раз нужно срезать компаунд.

BGA пайка процессора на примере планшета

Планшет загружался через раз. При давлении на процессор проходит экран загрузки, но процент зарядки 0%. Смена аккумулятора и попытки прошить аппарат ни к чему не привели. Так же режим инженера не доступен.

Возле процессора есть много рассыпухи, лучше закрыть ее плотным алюминиевым скотчем, чтобы случайно не сдуть.

Выпайка процессора

Обязательно нужно сфотографировать место пайки, чтобы не было проблем определить в какой стороне находится ключ. Сначала место пайки прогревается 100 — 150 °C на максимальном потоке воздуха. Где-то после минуты постепенно увеличиваем температуру. 200 °C, 250 °C и потолок 310 °C — 320 °C. При температурах от 250 пытаемся аккуратно пинцетом покачивать процессор. Если он стоит на мертво, то ждем еще (или увеличиваем температуру, но не больше 320 °C). Когда процессор от одного прикосновения пинцета пошатывается, то время снимать его. В данном случае все защищено фольгой, то риск задеть рассыпуху минимален, поэтому пинцетом можно откинуть его на плату.

Убираем припой

Лучше не использовать оплетку, дабы избежать повреждения маски. При помощи паяльника и немного припоя на жале (для разбавки припоя с тем, что на плате) легкими и не резкими движениями проходим по площадкам. Естественно перед этим наносим флюс на плату. Та же процедура и с самим процессором. Важно не перегреть его и не сорвать пятак.

Кстати, после выпайки обнаружилось, что на нескольких контактах был отвал процессора от платы. Так как слой меди был на процессоре целый, то удалось заново залудить оторванные контакты с шарами.

Реболлинг процессора

Реболлинг — это перепайка микросхемы. Это не замена старой на новую, по сути обновляются шарики на микросхеме для лучшего контакта с платой.

При помощи паяльной пасты и трафарета наносим новые шарики на процессор.

Температура пайки значительно ниже. 180 °C — 200 °C. Закрепляем процессор на трафарет при помощи все того же алюминиевого скотча.

После трафарета чистим процессор и наносим немного флюса. Затем снова греем его, чтобы шары точнее встали на свои места и лучше расплавились. Чистить после этой процедуры.

Затем, перед установкой, на плату ровным слоем наносим флюс. При помощи лопаток или зубочисток распределяем его равномерно, чтобы все контакты хорошо пропаялись и процессор не поплыл.

Ставим процессор по ключу и позиционируем его края. Так как вокруг много скотча это не составит особого труда. После этого также сначала греем плату на 100 — 150 °C, затем увеличиваем до 200 °C — 230 °C и аккуратно пытаемся пинцетом прикоснуться дабы убедиться, расплавился припой или нет. Если сделать это резко, то придется повторять все заново т.к. шары слипнуться.

Планшет начал включаться уже и без давления на процессор, однако после загрузки он выключался на 0%. Только теперь уже можно войти в режим инженера и попытаться сбросить планшет. После сброса аппарат включился нормально и показывает процесс зарядки, остаток и перестал отключаться.

Теперь нужно тщательно проверить все его функции. Камера, звук, микрофон, Wi-Fi, тачскрин.

Видео по теме

Альтернативная пайка BGA микросхем

Очень интересно видео. Способ накатки шаров паяльником без трафарета.

Компаундная заливка и тепловое сопротивление DC/DC- и AC/DC-преобразователей RECOM

С целью защиты AC/DC- и DC/DC-преобразователей от агрессивных воздействий окружающей среды компания RECOM при производстве большей части своей продукции широко использует компаунды. Это позволяет эффективно защитить печатные платы и установленные на них компоненты от влияния жидкостей, влаги, газов, химикатов, пыли и различных загрязнений, а также от механических воздействий — вибрации и ударной нагрузки. Использование компаунда позволяет реализовать герметизацию изделий (рисунок 1) и увеличивает их механическую прочность.

Рис. 1. Герметизация электронных изделий компаундом

Применяемые компаунды представляют собой электроизолирующий материал и делятся на пропиточные и заливочные. Первые используются для пропитки обмоток трансформаторов и дросселей, вторые — для заливки, например, печатных плат с установленными компонентами. Для герметизации преобразователей питания обычно используется метод заливки.

Для DC/DC-преобразователей RECOM, например, широко использует эпоксидный компаунд, который после отверждения обеспечивает электрическую прочность изоляции до 15 кВ/мм. Это позволяет предотвратить возникновение электрических разрядов вследствие загрязнений, перенапряжений и других факторов, повысить прочность изоляции между входом и выходом, отдельными компонентами изделий и прочим.

Кроме того, теплопроводящие компаунды выравнивают температурные градиенты, позволяя отвести тепло к корпусу изделия и снизить воздействие на устройство температурного стресса.

Компаунд после отверждения не воспламеняется и не поддерживает горение, что обеспечивает пожаробезопасность изделий (UL94-V0).

Компания RECOM использует для производства материалы со сроками службы не менее 10 лет, поэтому, например, залитые компаундом DC/DC-преобразователи имеют расширенный срок хранения и эксплуатации. Реальные сроки службы этих изделий по данным компании RECOM составляют десятки лет.

Таким образом, использование герметизации компаундом позволяет существенно повысить надежность и сроки эксплуатации преобразователей.

Тепловое сопротивление преобразователей питания

Одним из важнейших технических параметров как силовых компонентов (например, полевых транзисторов), так и преобразователей питания в целом, является тепловое сопротивление. Поскольку температурный расчет играет ключевую роль в оптимизации производительности системы, правильная оценка температурных параметров преобразователей питания при выборе этих изделий чрезвычайно важна. Для полного понимания температурных характеристик преобразователей RECOM указывает в документации не только пределы рабочей температуры окружающей среды, но также необходимое снижение величины номинальной нагрузки при увеличении температуры (thermal derating), внутреннюю рассеиваемую мощность, максимальную температуру корпуса и тепловое сопротивление.

Все преобразователи питания, например, DC/DC, внутри корпуса рассеивают мощность в виде тепла и поэтому становятся теплее, чем окружающая среда.

До тех пор, пока это дополнительное тепло может передаваться в окружающую среду, преобразователь может работать на полную мощность. Однако по мере повышения температуры окружающей среды преобразователю становится все труднее терять это избыточное тепло. При определенной температуре окружающей среды преобразователь достигает своего максимального температурного предела, и любое дальнейшее повышение температуры окружающей среды необходимо компенсировать за счет уменьшения мощности, рассеиваемой внутри преобразователя, что возможно за счет уменьшения нагрузки. Это и называется thermal derating, то есть снижение величины номинальной нагрузки при увеличении температуры.

Рассеиваемая мощность может быть рассчитана на основе КПД, но если тепловое сопротивление отсутствует в таблице данных или должно быть установлено в реальных условиях эксплуатации приложения, то его следует определить на основе испытаний в термокамере.

Даже в контролируемой среде тепловой камеры получение надежных измерений теплового поведения, например, модульных преобразователей DC/DC, требует очень тщательных методов измерений. Даже очень слабые потоки воздуха значительно искажают результаты измерений, поэтому тестируемое устройство (DUT – Device Under Test) следует помещать в картонную коробку внутри камеры, чтобы избежать сквозняков от вентилятора, создающего циркуляцию воздуха в камере. Температура окружающей среды внутри коробки должна измеряться откалиброванным датчиком, расположенным так, чтобы тепло, выделяемое преобразователем, не влияло напрямую на показания. Температуру корпуса преобразователя следует измерять в самой горячей точке (TC, MAX), как определено производителем, или определять по изображениям камеры тепловизора. Для преобразователей очень малых размеров установка датчика температуры может сама по себе повлиять на результаты измерений, поскольку он отводит дополнительное тепло от преобразователя. Поэтому следует использовать термопару с как можно меньшей точкой (пятном) контакта.

Для маломощных преобразователей может быть особенно трудно получить надежные результаты измерений теплового импеданса, поскольку саморазогрев преобразователя не является существенным источником тепла. В большинстве случаев диапазон рабочих температур определяется температурными пределами внутренних компонентов. В такой ситуации можно провести исследования, прикрепив термопары к критическим компонентам, чтобы измерить рост температуры до уровня выше температуры окружающей среды, а затем рассчитать безопасные пределы путем экстраполяции нескольких показаний, сделанных с шагом 10°C. Для инкапсулированных преобразователей термопары должны быть прикреплены перед заливкой с целью получения точных показаний.

Для преобразователей большей мощности тепловой импеданс может быть определен путем измерения повышения температуры при естественной конвекции (неподвижный поток воздуха) и расчета внутренней мощности рассеивания. Затем значение теплового импеданса можно использовать для расчета коэффициентов теплопередачи при различных скоростях потоков воздуха в условиях принудительной конвекции.

Наконец, очень низкие температуры также отрицательно влияют на характеристики преобразователей. Нижний предел температуры определяется одним из трех факторов в зависимости от очередности наступления:

• Минимальным номинальным значением температуры используемых компонентов;
• Снижением усиления или сдвигом точки смещения схемы ШИМ, что предотвращает запуск преобразователя;
• Механическим отказом, вызванным разными коэффициентами теплового сжатия.

Тепловое сопротивление или тепловой импеданс – это мера того, насколько эффективна теплопередача между внутренним источником тепла, таким как сердечник трансформатора или полупроводниковый переход, и окружающей средой. Рассмотрим, например, переключающийся полевой транзистор. Источником тепла является полупроводниковый переход TJ. Тепло передается корпусу транзистора (TB), затем проходит через залитую компаундом среду в корпус преобразователя (TC) и, наконец, от корпуса переходит в окружающую среду (TAMB). Каждая из этих ступеней имеет тепловое сопротивление θ, измеренное в °C/Вт, или тепловое сопротивление RTH, измеренное в °K/Вт. Они практически полностью взаимозаменяемы.

Из упомянутых выше тепловых сопротивлений пользователь может повлиять только на последнее – импеданс θ_CA между корпусом преобразователя и окружающей средой, поскольку два других сопротивления определяются конструкцией преобразователя.

Повышение температуры преобразователя можно рассчитать по формуле 1:

Пример расчета: преобразователь RECOM RP15-4805SA имеет выходную мощность 15 Вт, КПД 88% и тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой 18,2°C/Вт. Максимально допустимая температура корпуса 105°C. Тогда рассеиваемая мощность = 15/0,88 – 15 = 2,04 Вт, а соответствующий рост температуры корпуса выше температуры окружающей среды составит 2,04 × 18,2 = 37°C. Таким образом, максимально допустимая температура окружающей среды равна 105°C – 37°C = 68°C.

Если тепловое сопротивление неизвестно, то его можно определить путем измерений. Для примерного значения термокамера не нужна. Подходящая испытательная установка показана на рисунке 2. Как и при всех тепловых измерениях, прежде чем снимать какие-либо показания, необходимо дождаться стабилизации температуры.

Рис. 2. Испытательная установка для примерного определения теплового сопротивления DC/DC-преобразователя

Тепловой импеданс может быть получен из уравнения 1:

Поскольку рассеиваемая мощность известна (разница между входной и выходной мощностью), то измерение повышения внутренней температуры корпуса относительно температуры окружающей среды позволяет определить тепловое сопротивление (уравнение 2).

При использовании принудительной конвекции теплообмен между преобразователем и окружающей средой можно значительно улучшить. При этом тепловое сопротивление будет существенным образом зависеть от скорости воздушного потока. При скорости потока 0,1 м/сек тепловое сопротивление θ_CA слабо отличается от сопротивления при естественной конвекции. Далее, с увеличением скорости обдува, сопротивление θ_CA существенно снижается (таблица 1).

Таблица 1. Измеренная для 200 Вт DC/DC-преобразователя RECOM RPA200H зависимость температурного сопротивления от скорости обдува

Скорость воздушного потока, м/сек	Температурный импеданс, °C/Вт
0,1	3,3
0,2	2,62
0,5	2,0
0,8	1,57
1,0	1,22
1,5	0,75

Заметим также, что тепловое сопротивление θ_CA зависит от формы и площади поверхности перехода «корпус-окружающая среда».

Технологии герметизации

Реализация описанных выше преимуществ герметизации возможна только при однородной заливке изделия компаундом, то есть в компаунде после затвердевания не должно быть воздушных или газовых пузырьков, каких-либо пустот, а также должна отсутствовать любая возможность проникновения через заливку газов или влаги. В противном случае (рисунок 3) существенно уменьшается электрическая и механическая прочность изделия, снижается теплопроводность. Наличие неоднородностей (пустот) в компаунде может создавать механические напряжения, а воздействие на такой герметик давления и/или температуры может привести к возникновению трещин.

Рис. 3. Пузырьки воздуха в залитом компаунде

Для предотвращения появления пустот и других посторонних включений компания использует ряд технологий, наиболее эффективной из которых является перемешивание и дозировка компаунда в вакууме. Заметим, что эта технология применяется при изготовлении изделий для особо ответственных приложений.

Перемешивание в вакууме приводит к всплыванию пузырьков на поверхность, а дальнейшая закачка компаунда под давлением в дозатор препятствует образованию новых неоднородностей. Вакуумная технология заливки и контроль отсутствия пустот компаунда является требованием по безопасности со стороны сертификационных органов. Технический контроль отсутствия пустот реализуется в RECOM с использованием рентгеновской установки и другого оборудования. Рентгеновская установка часто используется для контроля при изготовлении прототипов новых устройств. Рентгеновские исследования позволяют выявить места устойчивого образования пустот и пузырьков в новом изделии и изменить в случае необходимости, еще до этапа серийного производства, компоновку компонентов платы, например – добавить на плату отверстия, которые будут способствовать выходу воздуха на поверхность в процессе заливки компаунда.

В ряде источников питания RECOM заливка компаундом с разрешения надзорных органов используется для создания изоляционного барьера. В качестве примера можно привести источники питания для медицинских приложений RACM18 и RACM30 (рисунок 4).

Рис. 4. AC/DC-преобразователь RACM30, в котором компаунд выполняет также функцию изоляционного барьера

Использование описанной выше технологии снижает скорость производства, поэтому, учитывая большие объемы выпускаемой компанией RECOM продукции (более миллиона преобразователей в месяц), приходится использовать преимущественно безвакуумные методы заливки, также позволяющие избежать возникновения пустот.

В качестве примера приведем одну из технологий безвакуумной заливки компаундом:

• Предварительно в корпус преобразователя заливается часть компаунда;
• Собранная и протестированная печатная плата преобразователя устанавливается в корпус;
• Изделие полностью заливается компаундом;
• Преобразователь помещается в печь, нагретую до температуры ниже температуры отверждения компаунда;
• От воздействия этой температуры компаунд становится жидким, а воздушные пузырьки при этом всплывают на поверхность;
• Для дополнительной стимуляции выхода пузырьков на поверхность при необходимости может использоваться виброплатформа;
• Изделие помещается в печь, разогретую до температуры отверждения.

Особое внимание в компании RECOM уделяется хранению компаунда и его составных частей. Отслеживаются как условия хранения, так и гарантированные сроки годности заливок. Дело в том, что заливки могут быть гигроскопичными. Например, двухкомпонентный эпоксидный компаунд впитывает влагу из окружающей среды, поэтому столь важным является соблюдение условий хранения, в частности температуры и влажности.

Важным моментом является контроль компанией в процессе производства чистоты плат с установленными компонентами и корпусов изделий. Чистота составляющих конструкции изделия способствует повышению адгезии компаунда, предотвращает образование пустот и пузырьков газа и воздуха.

Свойства и критерии выбора компаундов

По своей реакции на нагрев после отверждения компаунды делятся на термопластичные (полиизобутилен, полистирол и другие), которые размягчаются при последующем нагреве, и термореактивные, которые после затвердевания не размягчаются при воздействии температуры (эпоксидные, полиэфирные и другие).

При отверждении все компаунды в той или иной степени сжимаются (усаживаются). Заливные компаунды, используемые в электронике, характеризуются малой степенью усадки. Но любое, даже незначительное сжатие компаунда, приводит к возникновению механических напряжений, что может привести к появлению микротрещин и проникновению в дальнейшем в изделие агрессивных веществ.

С целью предотвращения таких событий для заливки используются компаунды, сохраняющие эластичность после отверждения.

Кроме того, для уменьшения влияния периодических изменений температуры компаунд должен характеризоваться малым коэффициентом теплового расширения.

Таким образом, эластичный после отверждения компаунд с малым коэффициентом теплового расширения позволяет снизить механическое напряжение, возникающее вследствие изменений температуры.

Твердость компаундов измеряется по шкале Шора (рисунок 5). Эпоксидный компаунд по этой шкале характеризуется как компаунд средней степени твердости, а силиконовый и полиуретановый – как компаунд средней степени мягкости (то есть более эластичный по сравнению с эпоксидным).

Рис. 5. Твердость материалов по шкале Альберта Шора

Еще одной существенной характеристикой компаундов является температура стеклования (glass-transition temperature) – то есть температура охлаждения, при которой компаунд из эластичного переходит в стеклообразное состояние. Нижняя рабочая температурная граница практически всей продукции RECOM находится на уровне -40ºC, поэтому сохранение эластичности компаунда при столь низкой температуре является важным фактором.

Верхняя температурная граница компаунда также очень важна. Это связано с высокой рабочей температурой преобразователей RECOM, которая может достигать 85°C. Такое значение верхней температурной границы находится далеко от критических значений максимальной рабочей температуры компаундов. Но при этом важным моментом является соблюдение температурного режима при проведении монтажа с использованием, например, пайки волной. Герметичность преобразователя вследствие воздействия температуры не должна быть нарушена.

И еще один фактор. При проведении экспертизы и определении неисправностей возможность удаления компаунда вручную (эластичный компаунд) является существенным подспорьем. Если такой возможности нет, например, при использовании эпоксидного компаунда, то проведение экспертизы затруднено (приходится использовать скалывание, шлифовку и прочее).

Типы компаундов для электронной промышленности

На сегодняшний день в электронике используется три типа заливных компаундов: силиконовый, полиуретановый, эпоксидный. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. В зависимости от изделия и предполагаемых условий его эксплуатации компания RECOM применяет все указанные выше типы компаундов.

Достоинства и недостатки компаундов

Силиконовый компаунд

• Преимущества:
  • Высокий уровень адгезии и пластичности;
  • Хорошая амортизация механического напряжения;
  • Высокая электрическая прочность (например, 15 кВ/мм);
  • Широкий рабочий температурный диапазон: в среднем от -50 до 200ºC и более;
  • Устойчивость к высокой динамике изменения температур;
  • Наличие оптически прозрачных силиконовых компаундов позволяют использовать их со светодиодами.
  • Недостатки:
    • Высокая стоимость по сравнению с другими компаундами;
    • Микровыделения после отверждения могут отрицательно сказаться на состоянии паяных соединений, работе коммутационных устройств (например, реле с негерметизированными контактами).

    Полиуретановый компаунд

    • Преимущества:
      • Высокая пластичность в твердом состоянии;
      • Нижний порог температуры стеклования составляет -70ºC;
      • Отлично подходит для изделий с хрупкими компонентами, например, с трансформаторами и дросселями на основе ферритов;
      • Хорошо подходит для изделий, имеющих составляющие с высоким коэффициентом теплового расширения.
      • Максимальная рабочая температура всего 130ºC;
      • Потеря влагостойкости с течением времени.

      Эпоксидный компаунд

      • Преимущества:
        • Высокая прочность, жесткость и долговечность компаунда в твердом состоянии;
        • Широкий диапазон рабочих температур от -50 до 150°C;
        • Малая степень усадки и отличная адгезия;
        • Прочность электрической изоляции в среднем 17 кВ/мм;
        • Высокая стойкость к агрессивным (химическим) средам;
        • Высокая влагостойкость.
        • Недостатки:
          • Выделение тепла в процессе отверждения;
          • Длительный процесс отверждения.

          На рисунке 6 приведены средние типичные рабочие температуры компаундов.

          

          Рис. 6. Сравнение типичных рабочих температур разных заливных компаундов

          Процесс заливки компаундом электронных изделий в компании RECOM – одна из важнейших составляющих процесса производства, от качества которой напрямую зависят надежность и долговечность продукции. Именно поэтому компания уделяет этому процессу столь пристальное внимание.

          Приобрести высоконадежные AC/DC— и DC/DC-преобразователи RECOM можно у компании Компэл – официального дистрибьютора RECOM на территории РФ.

          Как заливочные компаунды защищают электронные схемы

          Надежность продукции является абсолютной необходимостью для производителей, чтобы добиться успеха на современном конкурентном рынке. По мере того, как клиенты требуют все более высоких уровней производительности при более низких удельных затратах, становится все более сложной задача обеспечения того, чтобы электронные схемы работали так, как они были спроектированы в течение длительного периода времени. Деликатные компоненты, плотно монтированные печатные платы, ограничивающий корпус и очень требовательные условия обслуживания могут привести к увеличению частоты отказов в результате чрезмерного накопления тепла и электрических помех.

          Агрессивные условия ставят под угрозу надежность продукта

          Электронное оборудование часто подвергается одному или нескольким нагрузкам, которые могут ухудшить производительность. Длительное воздействие высоких температур или криогенных условий, химических веществ, строгого термоциклирования, механического удара, теплового удара и других условий может отрицательно повлиять на электронные устройства, вызывая их выход из строя. Во время изготовления и сборки компоненты часто должны выдерживать высокие температуры пайки и иногда подвергаться воздействию чистящих средств и других химических веществ, которые могут помешать работе схемы. Кроме того, электронные сборки обычно подвергаются строгим квалификационным испытаниям. Это включает в себя сложные условия, такие как экстремальная жара, химическое воздействие, термический цикл, тепловой удар или механический удар, чрезмерные вибрации, все из которых могут привести к выходу продукта из строя. Зачастую квалификационные испытания являются более строгими, чем фактические условия эксплуатации.

          

          Заливка компаундом изолирует электронику от окружающей среды

          Заливочные и инкапсулирующие компаунды обеспечивают высочайший уровень защиты от воздействия окружающей среды, тепловых, химических, механических и электрических условий. Разработанные для полной инкапсуляции компонента, модуля или печатной платы, эти специально разработанные соединения эффективно защищают устройство от окружающей среды, обеспечивая при этом структурную поддержку. Заливочные компаунды обеспечивают более высокий уровень физической, химической, электрической и температурной защиты, чем конформные покрытия. Обратная сторона заключается в том, что заливка часто может добавить дополнительное время обработки, стоимость и вес. Эпоксиды и силиконы являются одними из наиболее часто используемых заливочных составов. Они могут быть применены к печатным платам, конденсаторам, силовой электронике, светодиодному освещению, датчикам и т. д. Некоторые из желаемых свойств включают хорошую адгезию, отличную электрическую изоляцию, термическую стабильность, превосходную химическую стойкость, низкую усадку при отверждении, соответствующий коэффициент теплового расширения (CTE) и подходящую вязкость для конкретного применения. Составы могут быть смешаны для обеспечения баланса этих и других свойств путем тщательного подбора смолы, агента и наполнителей.

          Заливка, Литье и Инкапсуляция – в чем разница?

          Заливочные составы могут быть нанесены на электронное устройство одним из трех способов: заливка, литье или инкапсуляция. Наиболее часто используемым методом является заливка, при которой устройство помещают в корпус, или нишу, и жидкий заливочный состав заливают в корпус до тех пор, пока он не заполнится до краев. Корпус остается нетронутым, становясь частью готового агрегата. Литье похоже на заливку, за исключением того, что вместо корпуса используется форма и удаляется после того, как смесь затвердеет. Литье используется для создания формованного блока. Инкапсуляция включает погружение компонента в систему смолы, так что вокруг компонента образуется толстое покрытие. Хотя способы несколько отличаются, в каждом случае компонент полностью окружен защитным заливочным составом. Термины заливка и инкапсуляция часто используются в общих чертах для описания полного покрытия электронного компонента заливочным составом с помощью любого из трех методов.

          Разнообразие составов для заливки корпуса в соответствии с различными потребностями применения

          Важнейшей частью выбора правильного продукта является определение приоритетов требований и осознание того, что компромиссы связаны с выбором материала. Иными словами, необходимо разработать баланс между конечными свойствами с учетом таких вопросов обработки и заливки, как время открытия, вязкость, график отверждения и другие факторы. Эпоксидные смолы являются наиболее часто используемым материалом для заливки и инкапсуляции, благодаря их широкому спектру свойств и непревзойденной универсальности. Эпоксидные смолы обладают исключительной химической стойкостью, превосходными физическими свойствами и сильной адгезией к металлам, большинству пластмасс, керамике и композитам — материалам, обычно используемым для заливки корпусов. Они обычно обладают превосходными диэлектрическими свойствами и обычно являются термически изолирующими, но при необходимости могут быть сделаны теплопроводными и электрически изолирующими. Они также могут быть сформулированы так, чтобы выдерживать термический цикл, стрессы и удары, сохраняя при этом свои превосходные диэлектрические свойства. Хотя эпоксидные смолы обычно считаются жесткими и постоянными по своей природе, при необходимости их можно сделать более гибкими, причем некоторые марки проявляют достаточную гибкость, чтобы обеспечить возможность извлечения компонента. Однако, когда эпоксидные смолы сформулированы для того, чтобы быть более гибкими, сопротивление химиката и температуры неизменно скомпрометировано. Эпоксидные смолы могут быть спроектированы для использования в заливочных работах, которые требуют очень специфических характеристик, таких как оптическая прозрачность, огнестойкость, теплопроводность или низкие газообразующие свойства, сохраняя при этом свои возможности электрической изоляции. Специально разработанные огнестойкие эпоксидные смолы, сертифицированные в соответствии со спецификациями UL 94V-0, являются самозатухающими и обладают превосходными электроизоляционными свойствами, что делает их идеальными для заливки источников питания, сигнальных трансформаторов и других мощных электронных устройств. Непревзойденная универсальность эпоксидных смол подтверждается их широким диапазоном рабочих температур. Некоторые сорта выдерживают криогенные условия, в то время как другие выдерживают температуру до 500°F. Однако уникальные эпоксидные компаунды обладают высокой термостойкостью и большей гибкостью, чем типичные эпоксиды с высокой термостойкостью. Обычно эпоксидные смолы, которые сопротивляются более высоким температурам, являются жесткими. Они могут выдержать строгий термический цикл и тепловой удар, но требуют более сложной обработки, чтобы реализовать свои особые свойства. Например, они должны быть преобразованы в жидкость из твердого состояния. Самое главное, что материалы имеют более низкую экзотерму, чем типичные однокомпонентные эпоксиды, и подходят для более крупных отливок. Наполнители могут быть добавлены для достижения других эксплуатационных свойств, таких как теплопроводность и повышенная стабильность размеров. Эпоксидные смолы, безусловно, являются лучшим выбором, когда требуется химическая стойкость, хорошая физическая прочность и первоклассные электроизоляционные свойства. Поскольку эпоксидные смолы могут выдерживать многократные температурные отклонения выше температуры стеклования (Tg), не следует исключать возможность использования определенного сорта для применений, которые предполагают только более короткое время выдержки при более высоких температурах. Например, эпоксидная смола с Tg 150°C может легко выдержать повторные нагрузки на много часов выше 200°C, в зависимости от нюансов применения. Эпоксидные смолы обычно используются с наполнителями для снижения усадки, повышения стабильности размеров и повышения стойкости к истиранию. Использование наполнителей является критическим фактором для получения теплопроводности при сохранении электрического сопротивления. Благодаря тщательному отбору химических веществ, добавок и наполнителей способны разрабатывать эпоксидные соединения со свойствами, которые адаптированы к большинству потребностей применения. Силиконы предлагают беспрецедентное сочетание высокой термостойкости (до 400°F), превосходных электрических свойств и гибкости, но иногда требуют использования грунтовок для улучшения адгезии. Они часто выбираются за их непревзойденную способность противостоять тепловому удару и повторному тепловому циклу. Более мягкие, чем эпоксидные смолы, силиконы оказывают меньшее воздействие на чувствительную электронику, а также позволяют извлекать компоненты, которые нуждаются в ремонте или удалении. Свойства силиконов можно регулировать путем добавления наполнителей, например тех, которые используются для достижения теплопроводности и огнестойкости.

          Термические и геометрические факторы влияют на обработку

          Чтобы обеспечить оптимальный уровень защиты и избежать повреждения деликатных компонентов, необходимо соблюдать осторожность при нанесении и отверждении заливочных составов. Некоторые материалы требуют подготовки поверхности и грунтовки для достижения хорошей адгезии. Во время нанесения жидкий заливочный материал должен легко течь так, чтобы он полностью покрывал компонент, не оставляя пустот. Если воздух попадает в корпус, содержащаяся в нем влага может вызвать коррозию, что в конечном итоге приведет к выходу из строя компонентов или изделий. Удаление пузырьков воздуха очень важно. Обычно используются два метода: вакуумная дегазация или центрифугирование. Дегазация возможна как после смешивания материала, так и после его нанесения. Наилучший метод вакуумной дегазации называется “наталкивание”, которое заключается в попеременном вытягивании и ослаблении вакуума в течение 30-60 секундных циклов. Центрифугирование очень просто. Смешанный материал помещают в центрифугу и вращают в течение 10-15 минут при 500-1000 оборотах в минуту. Эти методы могут быть не нужны для заливки смесей с очень низкой вязкостью, так как пузырьки воздуха могут быть незначительными. Однако в некоторых корпусах системы с более высокой вязкостью более желательны из-за проблем геометрии или конструкции, поэтому вакуумная дегазация или центрифугирование остаются критическим этапом обработки. Одним из популярных методов устранения дегазации или центрифугирования является упаковка соединения в виде предварительно смешанной и замороженной системы. Эти эпоксиды смешивают и центрифугируют перед замораживанием. Они обычно упаковываются в небольшие шприцы (от 3 до 10 кубиков) и поставляются в сухом льду. Температура хранения -40°C. Предварительно смешанные и замороженные эпоксидные смолы обычно используются в очень небольших системах заливки и инкапсуляции, где требуется сверхточное дозирование. Электроника становится все меньше. Таким образом, использование предварительно смешанных и замороженных эпоксидных смол становится все более популярным. На самом деле, теперь доступны специальные дозаторы, позволяющие использовать фракции грамма в инкапсуляции. Геометрия блока и его корпуса также являются важными соображениями при нанесении заливочных составов. Заливочных компаундов вылечить экзотермическим образом; то есть они выделяют тепло, когда происходят химические реакции, связывающие их полимерные цепи. При более глубоких отливках выделяется больше тепла, и реакция протекает еще быстрее. Поскольку большинство заливочных составов не рассеивают тепло, более быстрые реакции приводят к более высоким внутренним температурам, что может привести к повреждению термочувствительных компонентов. Вот почему глубина отверждения является таким важным фактором при применении корпусных технологий. Заливочные составы имеют относительно низкую усадку при переходе из жидкого состояния в твердое во время отверждения. Заполненные заливочные компаунды проявляют наименьшее количество усадки, так, как только полимерный компаунд — а не наполнитель — сжимается во время отверждения. В целом, более быстрая обработка не обязательно лучше подходит для заливки и инкапсуляции, поскольку более быстрые реакции приводят к большей экзотерме, более высокой усадке и меньшему времени открытия. Более быстро отверждающиеся составы часто не могут быть отлиты более чем на 1/4 – ½ дюйма толщиной, потому что они становятся слишком горячими. Помимо добавления наполнителей, можно уменьшить усадку, изменив химическую формулу для уменьшения экзотермы или скорректировав конструкцию.

          

          Характеристики отверждения имеют первостепенное значение для успешного нанесения

          Большинство эпоксидных и силиконовых заливочных компаундов представляют собой двухкомпонентные системы (смола и отвердитель). Для их отверждения требуется от 24 до 48 часов или больше, хотя отверждения может быть ускорено добавлением тепла. Одна часть, системы без смешивания также могут быть использованы для заливки, хотя их использование ограничено, поскольку их температура отверждения обычно составляет от 125°C до 150°C. Эти температуры могут повредить электронные компоненты.

          Обзор методологии выбора продукта – как выбрать компаунд для заливки

          Подводя итог, можно сказать, что профиль требований к производительности системы имеет первостепенное значение. Если требуется химическая стойкость, то лучше всего использовать эпоксидную смолу. Если необходимы термоциклирование и термический удар, а также высокая термостойкость, то предпочтительной системой являются силиконы. С каждым материалом важность электрических свойств невозможно переоценить. Измерения диэлектрической прочности, диэлектрической проницаемости, объемного удельного сопротивления и коэффициента рассеяния часто имеют решающее значение при выборе наилучшего материала. Другими факторами, которые необходимо учитывать, являются диапазон рабочих температур, низкие требования к газообразованию, оптическая прозрачность, теплопроводность, огнестойкость и биосовместимость, а также другие факторы. Другие основные факторы — это проблемы с обработкой продукта, включая время открытия, вязкость и свойства потока. В конечном счете выбор основывается прежде всего на преобладающих требованиях к производительности. Выбор заливочного компаунда, который удовлетворяет все потребности конкретного применения без ущерба для электроники, может быть довольно сложным. Искусство выбора материала для заливки зависит как от свойств, так и от обработки, и любая конструкция должна обеспечивать баланс-достижение подходящей защиты без использования чрезмерного материала для заливки. Формуляторы хорошо оснащены для консультирования по оптимальному выбору заливочного состава для данной ситуации.

          Заливочные компаунды расширяют область применения сред

          Конкурирующие требования к более высокой производительности, более низким удельным затратам и повышенной надежности продукта заставляют разработчиков рассматривать заливочные и инкапсулирующие составы в качестве основных компонентов электронных систем и устройств. Смягчая хрупкие компоненты и защищая их от экстремальных температур, заливочные составы позволяют электронике выдерживать суровые производственные процессы и надежно работать в агрессивных — даже очень агрессивных условиях. Благодаря тщательному подбору подходящего состава производители электроники могут гарантировать, что их продукция будет работать так, как она была разработана, в еще более сложных условиях. Из-за того, что миниатюризация электроники и компонентов становится все меньше, дозирование заливочных и инкапсуляционных материалов с использованием предварительно смешанных и замороженных шприцев становится все более распространенным явлением. Наиболее важно то, что эпоксидная смола Wevo, обладающая уникальным сочетанием свойств, часто является новым и ярким подходом, применяемым ко многим сложным областям применения.

          Похожие публикации:

          1. В стеклянную трубку счетчика гейгера влетает частица с высокой энергией что происходит в этом случае
          2. Как подключить светодиодную ленту к колонкам
          3. Как подключить тепловизор астрон 2а к компьютеру
          4. Что принимают из старых плат