Для чего нужен флюс при пайке

Основные типы дефектов спаянных электронных модулей

Производство электронных изделий на этапе сборки печатной платы неизбежно сопровождается появлением дефектов. Их своевременное и качественное обнаружение позволяет свести к минимуму процент бракованной продукции.

В идеале для этого необходимо проводить оптическую инспекцию изделий после каждого этапа производства:

1. Нанесение припоя на печатную плату
2. Установка компонентов
3. Пайка

Однако, установка трех систем оптической инспекции может стоить слишком дорого, поэтому распространенным методом является проведение АОИ после пайки с помощью инспекционного оборудования, установленного после печи оплавления. Это позволяет выявить все основные разновидности дефектов:

• Отсутствие компонентов
• Короткое замыкание
• Неправильное положение компонентов
• Неправильное выравнивание компонентов

Помимо указанных дефектов, при сборке электронной платы могут возникнуть:

• Шлаковые включения
• Поры и трещины в соединениях
• Прожиг или оплавление основного металла ПП

Использование АОИ для выявления дефектов сборки

Автоматизированная оптическая инспекция – это проверка электронного изделия на наличие дефектов с помощью системы машинного зрения. Ее преимущества перед обычной визуальной инспекцией, выполняемой оператором, заключаются в:

• Высокой скорости работы
• Большей точности
• Возможности анализа результатов

Исследование результатов оптической инспекции позволяет не только обнаружить сами дефекты, но и определить причины их возникновения. Для максимально эффективной проверки рекомендуется инспектировать печатные платы на этапе нанесения паяльной пасты.

Это позволяет предупредить появление многих дефектов на ранних стадиях производства, тем самым сократив затраты на их последующее исправление.

Сегодня для проверки электронных плат используются системы 2D- и 3D-инспекции. Первые более доступны в плане стоимости, но имеют ограниченную эффективность. Трехмерная инспекция позволяет выявить практически все возможные дефекты, в том числе те, которые недоступны для двухмерной.

Оптимальным вариантом является сочетание этих двух методик.

Каталог оборудования

В каталоге компании СМТ Технологии вы можете выбрать различное инспекционное оборудование для электронного производства. Наши специалисты поделятся подробной информации о возможностях каждой представленной системы, проконсультируют вас относительно особенностей их эксплуатации.

Для решения данной проблемы был проведен анализ существующих ГОСТов и стандартов IPC, что позволило сформировать требования и рекомендации для правильной эксплуатации наконечников для паяльников различных производителей.

Правила эксплуатации наконечников

Форму и геометрические размеры наконечника необходимо подбирать в соответствии с размерами контактных площадок и выводов монтируемых элементов, что позволит:

• улучшить качество пайки;
• увеличить производительность;
• уменьшить риск повреждения элементов.

Рис. 1. Подбор размера наконечника с учетом планируемой работы

Рабочая температура

Чем выше температура пайки, тем больше окисление и коррозия наконечника. Необходимо использовать теплоэффективные наконечники и очищать жало от окислов. Оксид железа не смачивается припоем. Используйте встроенные функции сна и пониженного энергопотребления, чтобы продлить срок эксплуатации наконечников.

Флюс и припой

Выбирайте качественные материалы для пайки. Применение флюсов с содержанием неочищенной канифоли может привести к преждевременному выгоранию наконечников и нанесению вреда здоровью. Паяльные работы могут вызывать выделение вредных веществ, таких как частицы абиетиновой кислоты (канифоль), которая может вызвать астматическую реакцию.

Для снижения риска для здоровья рекомендуется использовать флюсы с высокоочищенной канифолью или бесканифольные флюсы. Использование слишком активного флюса также может привести к коррозии наконечников.

Международными стандартами IPC рекомендуются следующие типы флюсов: ROL, REAL и ORL.

При использовании трубчатого припоя может потребоваться дополнительное флюсование контактных площадок для формирования галтели.

Применение флюсов

Кроме того, применение флюсов ФКСП, ФК, ФСКП, содержащих высокий процент твердой части (30% и более), приводит к быстрому образованию нагара, ухудшению теплоотдачи, завышению температур пайки и быстрому сгоранию жала.

Все современные производители флюсов на аналогичных основах и на органике стремятся свести количество твердых частиц к минимуму (обычно не более 5%, максимум 20%).

Процесс пайки

Избегайте сильного давления жалом паяльника на контактную площадку в зоне пайки, поскольку это усилит его износ и может привести как к искривлению выводов элементов, так и к повреждению контактных площадок на печатной плате.

Очистка наконечника

При очистке наконечников не используйте механические или химические средства. Применяйте методы очистки, рекомендуемые производителем.Для очистки сильно окисленных жал паяльников можно использовать пасту для очистки и лужения наконечников Tip Activator.

Рис. 2. Оснастка для бережной очистки жал паяльников

Рекомендуемая последовательность работы

При работе с трубчатыми припоями пайка осуществляется с двух рук. Для того чтобы при пайке получить наилучшие результаты, рекомендуется выполнять работу в такой последовательности:

Рис. 3. Правильная и неправильная подача припоя: а, б) правильная подача припоя; в, г) неправильная подача припоя

Внимание! Если припой подавать непосредственно на жало паяльника, активные компоненты флюса будут преждевременно выгорать и его эффективность резко уменьшится. Не подавайте избыточное количество припоя на паяное соединение. Это может привести к увеличению количества остатков флюса и ухудшению внешнего вида изделия. Рекомендуется выбирать диаметр прутка припоя равным половине диаметра жала паяльника.

Весь процесс пайки должен занимать 0,5–2 с на одно паяное соединение в зависимости от массы, температуры и конфигурации жала, а также от паяемости поверхностей. Избыточное время или температура могут, во‑первых, истощать флюс до смачивания припоя, что приведет к увеличению количества остатков, а во‑вторых, увеличивают хрупкость паяного соединения.

Завершение работы

Для обеспечения длительного срока службы жала паяльника после окончания работы его необходимо очистить от остатков припоя и нагара. Для этой цели используйте специальные губки и щетки, предусмотренные в комплекте паяльной станции.

Поэтапное описание процесса пайки с применением трубчатого припоя

На первоначальном этапе работа с трубчатыми припоями (пайка с двух рук) может вызывать сложности. Как правильно работать с трубчатыми припоями? Приведенная последовательность пайки элементов со штыревыми выводами поможет быстро освоить эту технологию.

Пайка элементов, монтируемых в отверстия:

Рис. 4. Одновременный контакт с КП монтажного отверстия и выводом элемента

Правило № 1. Необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между жалом паяльника и паяемыми поверхностями.

Пайка компонентов

Подайте небольшое количество припоя на жало паяльника так, чтобы образовался мостик припоя между КП и выводом (рис. 5).

Перемещайте трубчатый припой по кругу вдоль КП в противоположном направлении от жала паяльника (рис. 6).

Правила пайки

Правило № 2: Необходимо обеспечивать контакт между жалом паяльника и паяемыми поверхностями до тех пор, пока не произойдет формирование галтели припоя.

Как только паяное соединение сформировано, отведите пруток припоя. Одновременно отведите жало паяльника.

Для образования правильной формы галтели жало паяльника должно двигаться вверх вдоль вывода элемента (рис. 7).

Важные рекомендации

Внимание! Избегайте сильного давления жалом паяльника на КП. Не допускайте контакта жала паяльника с галтелью припоя без использования трубчатого припоя, это может привести к деградации паяного соединения.

Решение проблем

Возможные проблемы, причины и методы решения указаны в таблице 2.

Соблюдение всех рассмотренных выше правил и требований поможет повысить качество паяных соединений и сократить количество брака от перегрева элементной базы и деформации печатных плат.

Паяльные пасты

К применяемым в паяльных пастах металлическим порошкам предъявляются достаточно жесткие требования по наличию примесей и однородности частиц.

Тип пасты | Допуски на размер частиц, нм | Диаметр частиц, мкм

Ряд паяльных паст содержит в своем составе комбинированный флюс, состоящий из смеси этих канифолей. Также согласно ГОСТ 19250-73 «Флюсы паяльные. Классификация» паяльные флюсы можно разделить на значительно большее количество групп, различающихся по следующим признакам:

Классификация самих флюсов — тема для отдельной статьи.

В ходе приготовления пасты используются следующие материалы:

В бессвинцовых пастах данный компонент очень важен для обеспечения смачиваемости паяемых поверхностей;

Остальными компонентами могут быть пластификаторы, отдушки и ингибиторы.

Очевидно, что процесс приготовления пасты отработан, если полученная в результате смесь равномерна и стабильна. Большинство паст содержат 10–12% флюса в весовом соотношении. В объемном соотношении процент металл-флюс может составлять примерно 50 на 50.

Влияние паяльной пасты на установку и положение компонента

Паяльная паста является связующим элементом, обеспечивающим электрический и механический контакт между печатной платой и поверхностно-монтируемым компонентом. Важными влияющими факторами для обеспечения данного контакта являются качественная печать, контролируемый процесс пайки и качество паяльной пасты, процесс установки компонента. После нанесения пасты на контактных площадках платы остается отпечаток, имеющий определенную геометрию и объем. Именно этот объем пасты и обеспечивает качество пайки. После нанесения пасты на контактные площадки требуется установить компонент, затем плата будет транспортирована в печь и паста оплавлена. Вязкость, осадка и тиксотропность — ключевые параметры, обеспечивающие стабильность паяльной пасты до этапа монтажа компонентов.

В идеале монтаж компонентов должен выполняться сразу после нанесения пасты, без задержек. В реальности на производстве между нанесением пасты и монтажом компонентов существует временной интервал, который может быть вызван, к примеру:

В ходе пайки, за счет сил поверхностного натяжения, паяльная паста может приводить как к «центрированию» компонента, так и к образованию дефектов типа «надгробный камень». Впрочем, при образовании дефектов паста — лишь необходимое условие для его формирования, основными причинами могут являться:

Но при всех этих причинах именно поведение паяльной пасты определяет формирование будущего дефекта.

Вязкость

Вязкость определяет способность пасты удержать установленный компонент и спозиционировать его при пайке. Особенно важна вязкость пасты при монтаже высоких компонентов и компонентов с нестандартной геометрией корпуса. Со временем вязкость пасты изменяется. Для ее определения проводится тестирование в течение определенного времени (до 24 ч, рис. 2). Теоретически отпечатки паяльной пасты после ее нанесения и отделения трафарета должны иметь вертикальные ровные края (стороны) и сохранять свою форму до момента монтажа компонентов. В реальности любая паста обладает осадкой, из-за которой стороны отпечатков оплывают и меняют геометрию. Осадка любой пасты должна быть минимальной, чтобы исключить возможность образования перемычек пасты между контактными площадками, провод-никами или элементами разводки, которые в дальнейшем приведут к коротким замыканиям в схеме.

Рис. 2. Изменение вязкости пасты с течением времени

Осадка проверяется на паяльной пасте, нанесенной через специальный трафарет на печатную плату со сплошным меднением. Апертуры трафарета увеличиваются от малых к большим в разных направлениях. При этом осадка оценивается при двух внешних условиях — при комнатной температуре и при повышенной температуре в +80 °C. Спустя 20 мин после печати проводится проверка на наличие перемычек между отпечатками.

Более подробно порядок проведения оценки вязкости описан в стандарте IPC-TM‑650 (часть 2.4.34.4) «Методы определения вязкости пастообразного флюса». Для оценки осадки используется IPC-TM‑650 (часть 2.4.35) «Руководство по испытательным методам. Паяльная паста — определение осадки». Иллюстрация данного теста приведена на рис. 3.

Рис. 3. Тест на осадку. Приемлемо для паст:а) оловянно-свинцовых;б) типа А;в) типа E

Тиксотропность

Этот параметр определяется специальными веществами, поддерживающими требуемый уровень вязкости. Как сказано выше, со временем от момента нанесения (выкладки) пасты на трафарет вязкость паяльной пасты изменяется. После окончания движения ракеля паста начинает растекаться за счет уменьшения вязкости. Для стабильности формы отпечатка и уменьшения растекания и осадки и контролируется уровень тиксотропности, который в свою очередь влияет на указанные параметры.

Оплавление

Чаще всего в результате оплавления должен образоваться надежный электрический и механический контакт между медью (Cu, с финишными покрытиями) печатной платы и оловом (Sn, опять же, с покрытием, и, возможно, не чистым, а в составе сплава) — рис. 4. В технологии поверхностного монтажа оплавление — один из самых ответственных этапов технологического процесса. Наиболее распространено оплавление за счет конвекционного нагрева, но есть и альтернатива, такая как парофазная пайка. Однако для ряда изделий до сих пор применяется пайка волной, ее улучшенная реализация — селективная пайка, позволяющая производить пайку выводных компонентов (чаще всего разъемов) на плате с компонентами для поверхностного монтажа. Есть и более узкоспециализированные методы пайки — инфракрасным нагревом, лазером. Суть процесса заключается в том, что нанесенной на печатную плату паяльной пасте требуется образовать соединение между компонентом и печатной платой за счет нагрева всей системы (или конкретных точек пайки).

Рис. 4. Интерметаллическое соединение на границе металлизация печатной платы — припой — металлизация компонента

Как уже было сказано, паяльная паста представляет собой смесь из металлического порошка и флюса. Флюс, в свою очередь, также может содержать несколько составляющих, влияющих на формирование паяного соединения. Формирование подобного паяного соединения следует строго контролировать. Это касается не только нагрева, но и охлаждения пайки. Общая последовательность этапов нагрева и охлаждения называется температурным профилем оплавления. Каждая стадия пайки имеет свой градиент скорости нагрева или охлаждения. Для оптимальной пайки каждый припой и каждая паяльная паста имеет свой рекомендованный температурный профиль оплавления. Для большинства изделий (плат) температурные профили является оригинальным. К примеру, температурный профиль для материнской платы компьютера и платы для мобильного телефона будут различаться между собой. Кроме того, важными условиями процесса являются такие аспекты, как односторонний или двусторонний монтаж, выполнение пайки в среде инертного газа (азота). Все это оказывает влияние на технологическое окно температурного профиля, по которому в реальности будет проводиться оплавление.

Именно поэтому для любой паяльной пасты представлен диапазон (окно) температурного профиля, в пределах которого может проводиться пайка именно данной пастой (рис. 5). У любого температурного профиля (рис. 6) есть ряд характерных зон, таких как:

Рис. 5. Технологическое окно температурного профиля паяльной пасты

Рис. 6. Порошок 3 го типа для припоя SAC

Паяльная паста — сложная, хоть и двухкомпонентная смесь, обладающая рядом характеристик, чрезвычайно важных для формирования качественного надежного паяного соединения. Технологические процессы нанесения пасты, монтажа компонентов и пайки — своего рода искусство, поскольку каждый является многофакторным процессом, умение управлять которым приходит далеко не сразу. И только личный опыт сможет гарантировать конечное качество пайки.

Пайка является одним из ключевых этапов производства электронной продукции. Качество паяного соединения определяет надежность и долговечность работы конечного изделия. Для его повышения используются специальные составы (флюсы) – в этой статье рассмотрим их виды и функции, которые они выполняют в производственном процессе.

Общее описание процесса пайки

В самом общем виде процесс пайки представляет собой создание паяного соединения между поверхностями металлических выводов электронных компонентов и контактными площадками печатных плат с помощью расплавленного припоя. Застывая, он образует между ними токопроводящую перемычку. Качество паяного соединения зависит от следующих характеристик соединяемых металлических поверхностей:

Кроме того, важное значение имеют физико-химические свойства самого припоя – в частности, поверхностное натяжение его расплава. Чем ниже этот показатель, тем лучше расплавленный паяльный состав растекается по выводу электронного компонента и контактной площадке печатной платы. Это необходимо для того, чтобы при застывании припой за счет адгезии более надежно соединялся с металлическими поверхностями.

Основные функции флюса

Пленки из оксидов и солей образуются на металлических поверхностях постоянно. Полностью исключить их появление позволяет только нанесение изолирующего покрытия, но в этом случае пайка компонентов уже становится невозможной. Поэтому единственным способом удалить пленки и предотвратить их появление во время монтажа электронных компонентов на печатную плату является использование флюсов. Эти составы выполняют несколько функций.

Кроме того, некоторые виды флюсов улучшают качество сварочного шва, повышают электропроводность паяного соединения.

Состав флюса для пайки

Под термином «флюс» в пайке подразумеваются различные вещества на основе органических и неорганических компонентов, а также их комбинаций, обладающие различными физико-химическими свойствами. В целом, состав флюса включает:

Большинство флюсов, используемых в производстве электронной продукции, изготавливаются на органической основе. Они обладают меньшей химической активностью, поэтому не вызывают коррозию контактных поверхностей и материалов электронных компонентов и печатных плат.

Требования к флюсам

Химический состав используемого флюса определяется особенностями соединяемых при пайке материалов и изделий. В частности, в радиоэлектронной промышленности исключается или ограничивается применение составов, содержащих активные кислоты – соляную, фосфорную и т. д. Эти высокоактивные компоненты хорошо растворяют оксидные пленки, но также воздействуют на сам металл контактных поверхностей, вызывая его коррозию. Если технологический процесс все же подразумевает использование именно таких флюсов, то после пайки с поверхности платы обязательно удаляются их остатки.

Для отраслей электронной промышленности, связанных с производством ответственной электронной продукции (например, аэрокосмической, энергетической или военной сферы) важное значение имеет прочность паяных соединений, позволяющая им выдерживать высокие механические, химические, климатические нагрузки. Поэтому в них применяются флюсы, обеспечивающие максимально качественное растекание и высокую адгезию припоя к контактным поверхностям.

Кроме того, в последние годы большое внимание уделяется безопасности и экологичности электронной промышленности. Принятые в Европе, США и других развитых странах стандарты ограничивают использование вредных веществ, способных навредить здоровью рабочего персонала и вызвать загрязнение окружающей среды. Это заставляет производителей использовать флюсы, содержащие меньше токсичных компонентов.

С технологической точки зрения флюс должен отвечать следующим требованиям:

Часто соблюсти все требования с помощью одного флюса невозможно – в таких случаях во время пайки могут использоваться несколько составов. Например, против окислов эффективно работают флюсы с содержанием органических и неорганических кислот. А для защиты очищенных металлических поверхностей от повторного окисления используется канифоль, вазелин, воск.

Нанесение флюса

Нанесение флюса на обрабатываемую поверхность зависит от типа паяемых деталей, способа пайки и особенностей производства:

Также флюсы входят в состав уже готовых паяльных паст и подаются вместе с припоем в рабочую зону непосредственно во время пайки.

Большинство флюсов после пайки требуют отмывки – особенно это касается активных и активированных составов, включающих органические и неорганические кислоты и соли. Данные компоненты отличаются высокой химической активностью, поэтому могут вызвать коррозию печатной платы или паяных соединений. Безотмывочные флюсы не требуют обязательной отмывки, однако выполнять ее все же рекомендуется для поддержания аккуратного вида конечного электронного изделия, упрощения его последующего ремонта и сервисного обслуживания.

В каталоге компании «СМТ Технологии» представлены разнообразные флюсы для различных типов пайки электронных компонентов. Мы продаем расходные материалы от ведущих поставщиков из России и других стран как для небольших предприятий, ремонтных мастерских и т. д., так и для организации крупносерийного производства.