procyberВестник кибернетикиProceedings in Cybernetics1999-7604Бюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Сургутский государственный университет»10.35266/1999-7604-2024-3-8procyber-608Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИEngeneeringАнализ влияния шероховатости паяльной маски и формы трафарета на образование пустот в паяных соединенияхAnalysis of the infl uence of solder mask roughness and stencil shape on the formation of voids in solder jointshttps://orcid.org/0000-0002-5338-367XТурецкийА. В.TuretskyA. V.

кандидат технических наук, доцент

Candidate of Sciences (Engineering), Docent

https://orcid.org/0000-0002-5105-0505ПироговА. А.PirogovA. A.

кандидат технических наук, доцент

Candidate of Sciences (Engineering), Docent

https://orcid.org/0000-0001-5279-0807СвиридоваИ. В.SviridovaI. V.

старший преподаватель

Senior Lecturer

https://orcid.org/0000-0001-9167-9538ХорошайловаМ. В.KhoroshailovaM. V.

кандидат технических наук,доцент

Candidate of Sciences (Engineering), Docent

https://orcid.org/0000-0002-0194-6979СёмкаЭ. В.SyomkaE. V.

кандидат физико-математических наук, доцент

Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Docent

semka_elya@mail.ruВоронежский государственный технический университет, ВоронежРоссияVoronezh State Technical University, VoronezhRussian FederationВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Минобороны России, ВоронежРоссияMilitary Educational and Scientifi c Centre of the Air Force N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin Air Force Academy the Ministry of Defence of the Russian Federation, VoronezhRussian Federation2024281020242337081Copyright © Турецкий А.В., Пирогов А.А., Свиридова И.В., Хорошайлова М.В., Сёмка Э.В., 20242024Турецкий А.В., Пирогов А.А., Свиридова И.В., Хорошайлова М.В., Сёмка Э.В.Turetsky A.V., Pirogov A.A., Sviridova I.V., Khoroshailova M.V., Syomka E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/608

Проведен анализ причин появления и выявлены пути минимизации пустот, которые образуются внутри паяных соединений. Возникающие в процессе пайки пустоты существенно снижают как механическую, так и электрическую прочность соединения. Кроме того, существенно ухудшается теплопроводность, особенно в корпусах компонентов, где паяное соединение выполняет также роль теплоотвода. Предложены два новых подхода, ведущих к уменьшению образования пустот в паяных соединениях. Первый подход заключается в изменении шероховатости паяльной маски, влияющей на распределение флюса вокруг контактной площадки. Показано, что большая шероховатость паяльной маски положительно влияет на лучшую растекаемость флюса, выделяющегося при оплавлении припоя. При этом пятно флюса оказывается больше и он меньше попадает в паяное соединение, что приводит к минимизации объема и количества пустот. Второй подход заключается в нанесении не одного большого пятна паяльной пасты, а нескольких маленьких, разделенных небольшими промежутками. При этом для сохранения объема дозы припоя предложено использовать более толстые трафареты нанесения паяльной пасты. Наличие промежутков между пятнами паяльной пасты способствуют лучшему вытеснению газов, выделяющихся при оплавлении.

The analysis of the causes of occurrence and ways of minimizing voids that are formed inside soldered joints is carried out. Voids that form during soldering signifi cantly reduce both the mechanical and electrical strength of the joint. In addition, thermal conductivity signifi cantly decreases, especially in component housings, where the soldered joint also acts as a heatsink.We propose two alternative approaches leading to a decrease in the formation of voids in soldered joints. The fi rst approach involves changing the roughness of the solder mask, which affects the distribution of fl uxaround the contact pad. Research shows that a higher roughness of the solder mask positively affects the better spreading of the fl ux released during solder refl ow. Here, the fl ux spot is larger and less of it gets into thesolde red joint, which leads to a minimization of the volume and number of voids. The second approach includes applying not one large amount of solder paste, but several small ones, separated by small gaps. Moreover, to maintain the volume of the solder dose, it is proposed to use thicker stencilsto apply solder paste. The presence of gaps between the spots of solder paste contributes to better displacement of gases released during refl ow.

надежность радиоэлектронных средствмонтаж электронных компонентовпустоты в паяных соединенияхфлюсreliability of radio-electronic equipmentinstallation of electronic componentsvoids in solder jointsfl uxработа выполнена в рамках функционирования дизайн-центра «Силовая электро- ника» ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»the work is carried out alongside the Educational Design Center for Electronics “Silovaya elektronika” at the Voronezh State Technical UniversityReferencesSteiner F., Wirth V., Hirman M. Relationship of soldering profi le, voids formation and strength of soldered joints // 42nd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Wroclaw, 2019. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/ISSE.2019.8810303.Steiner F., Wirth V., Hirman M. Relationship of soldering profi le, voids formation and strength of soldered joints // 42nd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Wroclaw, 2019. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/ISSE.2019.8810303.Zhu N. Thermal impact of solder voids in the electro nic packaging of power devices // Fifteenth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, San Diego, CA, USA, 1999. P. 22–29. https://doi.org/10.1109/STHERM.1999.762424.Zhu N. Thermal impact of solder voids in the electro nic packaging of power devices // Fifteenth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, San Diego, CA, USA, 1999. P. 22–29. https://doi.org/10.1109/STHERM.1999.762424.Chen L., Paulasto-Krockel M., Frohler U. et al. Thermal impact of randomly distributed solder voids on Rth-JC of MOSFETs // 2nd Electronics System-Integration Technology Conference, 2008. P. 237–244. https://doi.org/10.1109/ESTC.2008.4684356.Chen L., Paulasto-Krockel M., Frohler U. et al. Thermal impact of randomly distributed solder voids on Rth-JC of MOSFETs // 2nd Electronics System-Integration Technology Conference, 2008. P. 237–244. https://doi.org/10.1109/ESTC.2008.4684356.Zhou Y., Ding D., Han B. et al. Infl uence of refl ow atmosphere on SAC305 solder joints // Inter national Symposium on Advanced Packaging Materials (APM), 2011. P. 122–128.Zhou Y., Ding D., Han B. et al. Infl uence of refl ow atmosphere on SAC305 solder joints // Inter national Symposium on Advanced Packaging Materials (APM), 2011. P. 122–128.Bušek D., Dušek K., Růžička D. et al. Flux effect on void quantity and size in soldered joints // Microelectronics Reliability, 2016. Vol. 60. P. 135– 140. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.03.009.Bušek D., Dušek K., Růžička D. et al. Flux effect on void quantity and size in soldered joints // Microelectronics Reliability, 2016. Vol. 60. P. 135– 140. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.03.009.Ekere N. N., Lo E. K. New challenges in solder-paste printing // Journal of Electronics Manufacturing, 1991. Vol. 01. P. 29–40. https://doi.org/10.1142/S0960313191000059.Ekere N. N., Lo E. K. New challenges in solder-paste printing // Journal of Electronics Manufacturing, 1991. Vol. 01. P. 29–40. https://doi.org/10.1142/S0960313191000059.He D., Ekere N. N., Currie M. A. The behavior of solder pastes in stencil printing with vibrating squeegee // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part C, 1998. Vol. 21, no. 4. P. 317–324. https://doi.org/10.1109/TCPMC.1998.7102530.He D., Ekere N. N., Currie M. A. The behavior of solder pastes in stencil printing with vibrating squeegee // IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part C, 1998. Vol. 21, no. 4. P. 317–324. https://doi.org/10.1109/TCPMC.1998.7102530.Hong L.-Y., Li Y.-T., Li H.-F. Minimize Bottom Termination Component Voids by Board Assembly Process & Design Optimization // 17th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), Taipei, Taiwan. 2022. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/IMPACT56280.2022.9966717.Hong L.-Y., Li Y.-T., Li H.-F. Minimize Bottom Termination Component Voids by Board Assembly Process & Design Optimization // 17th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (IMPACT), Taipei, Taiwan. 2022. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/IMPACT56280.2022.9966717.Sweatman K., Nishimura T., Sugimoto K. et al. Controlling Voiding Mechanisms in the Refl ow Soldering Process // Proceedings IPC APEX Expo, 2016. P. 1–11.Sweatman K., Nishimura T., Sugimoto K. et al. Controlling Voiding Mechanisms in the Refl ow Soldering Process // Proceedings IPC APEX Expo, 2016. P. 1–11.Otáhal A., Somer J., Szendiuch I. Infl uence of heating direction on BGA solder balls structure // Microelectronics and Packaging Conference (EMPC) & Exhibition, Warsaw. 2017. P. 1–4. https://doi.org/10.23919/ EMPC.2017.8346878.Otáhal A., Somer J., Szendiuch I. Infl uence of heating direction on BGA solder balls structure // Microelectronics and Packaging Conference (EMPC) & Exhibition, Warsaw. 2017. P. 1–4. https://doi.org/10.23919/ EMPC.2017.8346878.Otáhal A., Somer J., Szendiuch I. Infl uence of heat fl ow direction on solder ball interfacial layer // Journal of Electrical Engineering. 2018. Vol. 69, no. 4. P. 305–310. https://doi.org/10.2478/jee-2018-0043.Otáhal A., Somer J., Szendiuch I. Infl uence of heat fl ow direction on solder ball interfacial layer // Journal of Electrical Engineering. 2018. Vol. 69, no. 4. P. 305–310. https://doi.org/10.2478/jee-2018-0043.Wang D., Panton R. L. Effect of Reversing Heat Flux Direction During Refl ow on Void Formation in High-Lead Solder Bumps // Journal of Electronic Packaging. 2005. Vol. 127, no. 4. P. 440–445. https://doi.org/10.1115/1.2070047.Wang D., Panton R. L. Effect of Reversing Heat Flux Direction During Refl ow on Void Formation in High-Lead Solder Bumps // Journal of Electronic Packaging. 2005. Vol. 127, no. 4. P. 440–445. https://doi.org/10.1115/1.2070047.Yunus M., Primavera A., Srihari K. et al. Effect of voids on the reliability of BGA/CSP solder joints // Twenty Sixth IEEE/CPMT International Electronics Manufacturing Technology Symposium, Santa Clara, CA, USA, 2000. P. 207–213. https://doi.org/10.1109/IEMT.2000.910730.Yunus M., Primavera A., Srihari K. et al. Effect of voids on the reliability of BGA/CSP solder joints // Twenty Sixth IEEE/CPMT International Electronics Manufacturing Technology Symposium, Santa Clara, CA, USA, 2000. P. 207–213. https://doi.org/10.1109/IEMT.2000.910730.Nurmi S. T., Sundelin J. J., Ristolainen E. O. et al. The effect of PCB surface fi nish on lead-free solder joints // Soldering & Surface Mount Technology. 2005. Vol. 17, no. 1. P. 13–23. https://doi.org/10.1108/09540910510579203.Nurmi S. T., Sundelin J. J., Ristolainen E. O. et al. The effect of PCB surface fi nish on lead-free solder joints // Soldering & Surface Mount Technology. 2005. Vol. 17, no. 1. P. 13–23. https://doi.org/10.1108/09540910510579203.ГОСТ Р МЭК 61190-1-1-2020. Материалы для электронных модулей. Требования к паяльным флюсам для высококачественных межсоединений в электронных сборках. Ч. 1–1. М., 2020. 16 с. URL: https://www.elec.ru/viewer?url=/files/2021/08/09/GOSTR-MEK-61190-1-1-2020.pdf (дата обращения: 18.09.2024).ГОСТ Р МЭК 61190-1-1-2020. Материалы для электронных модулей. Требования к паяльным флюсам для высококачественных межсоединений в электронных сборках. Ч. 1–1. М., 2020. 16 с. URL: https://www.elec.ru/viewer?url=/files/2021/08/09/GOSTR-MEK-61190-1-1-2020.pdf (дата обращения: 18.09.2024).Veselý P., Bušek D., Krammer O. et al. Analysis of noclean fl ux spatter during the soldering process // Journal of Materials Processing Technology, 2020. Vol. 275. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116289.Veselý P., Bušek D., Krammer O. et al. Analysis of noclean fl ux spatter during the soldering process // Journal of Materials Processing Technology, 2020. Vol. 275. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116289.Kozák M., Veselý P. Study of voids inside solder joints based on SAC305 solder paste with different properties // 43rd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), 2020. P. 1–5. https: //doi.org/10.1109/ISSE49702.2020.9120951.Kozák M., Veselý P. Study of voids inside solder joints based on SAC305 solder paste with different properties // 43rd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), 2020. P. 1–5. https: //doi.org/10.1109/ISSE49702.2020.9120951.Hirman M., Steiner F. Optimization of solder paste quantity considering the properties of solder joints // Soldering & Surface Mount Technology. 2017. Vol. 29, no. 1. P. 15–22. https://doi.org/10.1108/SSMT-10-2016-0025.Hirman M., Steiner F. Optimization of solder paste quantity considering the properties of solder joints // Soldering & Surface Mount Technology. 2017. Vol. 29, no. 1. P. 15–22. https://doi.org/10.1108/SSMT-10-2016-0025.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.