Печатная плата для пайки столбиками припоя

 

Изобретение относится к радиотехнике, а также может быть использовано в электронике, приборостроении. Технический результат - повышение качества пайки при повышенной плотности размещения электронных компонентов на печатной плате. Достигается тем, что в предлагаемой конструкции печатной платы в каждой контактной площадке выполнено не менее четырех капиллярных пазов, находящихся за пределами периметра основания столбика припоя, но не выходящих за пределы поверхности контактной площадки, при этом пазы имеют по два участка с различными сечениями. Данная конструкция печатной платы позволяет уменьшить вероятность образования мостиков между соседними контактными площадками путем торможения потоков расплавленного припоя и удержания избыточного количества жидкого припоя в пределах периметра данной контактной площадки. В конструкции предлагаемой печатной платы происходит выравнивание тепловых потоков и жидкий припой распределяется равномерно по поверхности контактной площадки. Кроме этого, повышается растекаемость припоя, что улучшает условия контроля качества пайки электронных компонентов с конструктивными ограничениями по визуальному осмотру мест пайки и, в частности, безвыводных микросхем. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в электронике, приборостроении.

Известна конструкция печатной платы для пайки волной припоя [1]. Известная печатная плата содержит основные контактные площадки, необходимые для пайки элементов электроники, и дополнительные дренажные контактные площадки, расположенные отдельно от основных контактных площадок. Основное назначение дополнительных дренажных контактных площадок состоит в удержании излишков припоя при его расплавлении с целью предотвращения образования мостиков между соседними основными контактными площадками.

Основной недостаток известной конструкции печатной платы состоит в том, что она не может быть использована при пайке столбиками припоя элементов электроники с повышенной плотностью размещения компонентов, в частности, при шаге координатной сетки менее или равном 1,25 мм (когда ширина соединительных проводников составляет 0,32 мм, расстояние между ними: 0,32 мм, а размеры контактной площадки равны 1•1,25 мм).

Известна конструкция образца для пайки [2], принятая в качестве прототипа. В известной конструкции образца на паяемой поверхности выполнены одиночные V-образные капиллярные канавки. Сечение капиллярных канавок постоянно на всей ее длине. Предусмотрена вариантность канавок за счет изменения угла при вершине канавки.

Основной недостаток известного решения (прототипа) заключается в том, что оно содержит одиночные капиллярные канавки, сечение которых постоянно по всей длине.

При монтаже с повышенной плотностью размещения электронных компонентов столбиками припоя в процессе расплавления припоя данная конструкция не обеспечивает эффективного торможения потоков расплавленного припоя и удержания его избытков в границах контактной площадки. Это приводит к образованию мостиков и замыканию соседних контактных площадок. Кроме того, одиночные пазы (канавки) способствуют формированию несимметричного температурного поля, что приводит к неравномерному нагреву мест пайки.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества пайки за счет уменьшения вероятности образования мостиков между соседними контактными площадками на печатной плате при пайке столбиками припоя электронных компонентов с повышенной плотностью размещения при одновременном улучшении растекания припоя, а также обеспечении возможности контроля качества процесса пайки безвыводных компонентов с ограниченной возможностью для визуального контроля.

Технический результат достигается тем, что в предложенной конструкции печатной платы для пайки столбиками припоя электронных компонентов с повышенной плотностью размещения, содержащей соединительные проводники и контактные площадки с капиллярными пазами, в каждой контактной площадке выполнено не менее четырех капиллярных пазов, находящихся за пределами периметра основания столбика припоя, но не выходящих за пределы поверхности контактной площадки, при этом пазы имеют по два участка с различным сечением.

На фиг.1 приведен участок фольгированной медью (толщина слоя меди может составлять 25-50 мкм) печатной платы 1 с контактной площадкой 2, имеющей прямоугольную форму, и столбиком припоя 3. На фиг.2 приведен разрез по А-А фиг.1.

Печатная плата 1 после травления медной фольги содержит проводящий рисунок, состоящий из контактной площадки 2 и соединительного проводника 4. На поверхности контактной площадки 2 выполнены капиллярные пазы 5. Ориентация пазов 5 в плоскости контактной площадки 2 относительно ее оси симметрии, в общем случае, может быть любой (на фиг.1. показаны пазы, совпадающие с диагоналями контактной площадки). Пазы 5 расположены за пределами периметра основания столбика припоя 3, но при этом они не выходят за пределы поверхности контактной площадки 2. Длина капиллярного паза определяется диаметром столбика припоя 3 и размерами контактной площадки 2. Пазы имеют по два участка с различным сечением. Пазы получены лазерной гравировкой.

Принцип действия предлагаемой конструкции печатной платы заключается в следующем.

На плате 1 с помощью маски с отверстиями (на фиг.1 и 2 маска не показана), центры которых совпадают с центрами контактных площадок 2, формируют столбики припоя 3 (например, погружением в расплав с последующим охлаждением и кристаллизацией припоя на поверхности контактных площадок 2). При этом периметр основания столбиков припоя 3 граничит с началом капиллярного паза 5. После чего на плате устанавливают электронные компоненты (на фиг.1 и 2 не показаны) таким образом, чтобы части компонентов (плоские выводы микросхем, контактные площадки безвыводных микросхем и элементов в чип- и мэлф-исполнении), подлежащие пайке, опирались на поверхность верхнего торца столбика припоя 3. Затем плату 1 нагревают. В процессе нагрева (нагрев может быть общим или местным) происходит расплавление столбика припоя 3 с одновременным увеличением его объема и он растекается по поверхности контактной площадки 2. При этом капиллярные пазы 5 заполняются жидким металлом, потоки которого под действием капиллярных сил ускоряются в узкой части и устремляются в расширенную часть пазов. В этой части пазов происходит накопление припоя и торможение потока жидкого металла за счет расширения паза (из уравнения непрерывности для потока жидкости: скорость потока в канале обратно пропорциональна его сечению).

Для контактной площадки 2 с размером 1•1,25 мм характерные размеры столбика 3 могут составить: диаметр столбика D=0,6 мм, высота Н=0,15 мм. Размеры капиллярного паза в узкой части и в широкой составляют соответственно: длина l_у= 0,1 мм; ширина b_y=0,05 мм; высота h_y=0,015 мм и l_ш=0,3 мм; b_ш=0,2 мм; h_ш=0,015 мм. В этом случае объем широкой части паза V=0,0009 мм³, а для четырех пазов суммарный объем равен ~ 0,0036 мм³, т.е. ~ 10% от объема столбика припоя (на один паз приходится ~ 2,5%).

Для контактной площадки с размером 1,4•2,0 мм характерные размеры столбика 3 могут составить: диаметр столбика D=1 мм, высота Н=0,2 мм. Размеры капиллярного паза в узкой части и в широкой составляют соответственно: длина l_у= 0,1 мм; ширина b_y=0,1 мм; высота h_y=0,025 мм и l_ш=0,35 мм; b_ш=0,3 мм; b_ш=0,025 мм. В этом случае объем широкой части паза V=0,0026 мм³, а для четырех пазов суммарный объем равен ~ 0,01 мм³. Эта величина составляет ~ 10% от объема столбика припоя (на один паз приходится ~2,5%).

Практика показывает, что эта величина (~10% от объема столбика припоя) является оптимальной для характерных размеров контактных площадок и столбиков припоя. С одной стороны, капиллярные пазы позволяют эффективно удержать излишки припоя расплавленного столбика, не давая припою выплеснуться на соседнюю контактную площадку с образованием мостиков, а с другой стороны, размеры капиллярных пазов и симметричное расположение на контактной площадке относительно ее центра не сказываются существенным образом на электрических и прочностных свойствах контактных площадок и способствуют формированию равномерного теплового потока, что позволяет вести монтаж электронных компонентов в стандартных условиях, характерных для монтажа компонентов на печатных платах без капиллярных пазов.

Капиллярные пазы с переменным сечением способствуют лучшему растеканию припоя по поверхности контактной площадки (особенно в случаях недостаточного прогрева или отсутствия флюса). В частности, при неравномерном нагреве контактной площадки лучшее растекание наблюдается со стороны более нагретой части контактной площадки, но широкая часть паза тормозит движение припоя и тем самым способствует накоплению припоя в пазу и создает условия для движения припоя на противоположной менее нагретой стороне. В данном случае наблюдается саморегулирование процесса растекания припоя по поверхности контактной площадки.

Кроме того, капиллярные пазы, выходящие за пределы периметра паяемой детали, служат средством контроля качества пайки для паяных соединений, в которых существуют конструктивные ограничения по визуальному осмотру мест пайки: наличие припоя в пазах свидетельствует о растекании припоя по поверхности контактной площадки и формировании качественного паяного соединения.

Таким образом, предложенная конструкция печатной платы повышает качество пайки за счет снижения вероятности образования мостиков припоя, улучшения растекания припоя (особенно при бесфлюсовой пайке) и выравнивания тепловых потоков на контактной площадке, а также позволяет осуществлять контроль качества пайки для электронных компонентов с конструктивными ограничениями по визуальному осмотру мест пайки.

Источники информации 1. Печатная плата с дренажными контактными площадками; Заявка 2714566 Франция, МКИ Н 05 К 3/34 /Reau Jean Paul; Marelli Autronica S.A. - 9315645; заявл. 24.12.93; опубл. 30.06.95.

2. Быховский А.И., Пролесковская А.Ю. Влияние заданного рельефа на кинетику растекания жидкости по твердой поверхности. Поверхностная диффузия и растекание. Киев (Наукова Думка, 1978 г., стр.194.).

Формула изобретения

Печатная плата для пайки столбиками припоя электронных компонентов с повышенной плотностью размещения, содержащая соединительные проводники и контактные площадки, в которых выполнены капиллярные пазы, отличающаяся тем, что в каждой контактной площадке выполнено не менее четырех капиллярных пазов, находящихся за пределами периметра основания столбика припоя, но не выходящих за пределы поверхности контактной площадки, при этом пазы имеют по два участка с различными сечениями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2