Что это такое и для чего нужны?
Паста для пайки — это вязкая структура, которая имеет в своём составе припой, флюс, различные летучие растворители, а также специальные клейкие компоненты. В зависимости от химического состава флюса и припоя могут варьироваться температура плавления, техника работы, а также варианты отмывки печатной платы.
Известно, что пайка для соединения элементов допускается при использовании любых материалов, температура плавления которых на несколько уровней ниже, чем температура плавления этих самых деталей. Именно поэтому для простейших бытовых схем в домашних условиях чаще всего в ход идет припой вместе с флюсом либо кислотой. Паяльные пасты в своем составе содержат сразу 2 компонента, а также их всевозможные примеси, благодаря чему ход пайки многократно ускоряется. Помимо того, такие пасты нашли самое широкое применение при изготовлении электроприборов.
В качестве базовых материалов в качестве припоя подбирают сплавы со свинцом, а также оловом либо серебром, однако максимальное хождение получила бессвинцовая паяльная паста.
Флюс в структуре выполняет функции обезжиривателя. Помимо этого, для успешного выполнения работы потребуется клейкий связующий компонент – он существенно облегчает фиксацию SMD-элементов на рабочие платы. При этом чем больше габариты платы, тем более насыщенной будет элементарная плотность, и тем актуальнее применение пасты для выполнения пайки.
Пасты нашли повсеместное применение и в производстве. Они применяются для лужения кузова автомобиля, проведения поверхностного монтажа, ремонта проводов и пайки светодиодов.
Можно сказать, что паяльная паста стала выгодным и эффективным заменителем традиционных припоев, конечно, в том случае, если её марка и флюс, входящий в ее основу, были подобраны правильно.
К основным преимуществам материала относят удобство нанесения, а также чистоту печатной платы, которая достигается благодаря точно дозированному нанесению состава. Единственный минус таких паст — это недолгий срок годности, в среднем он не превышает полугода. После этого консистенция пасты начинает разделяется на фазы, и средство становится непригодным для эксплуатации.
Выворачивание компонентов — эффект «надгробного камня»
Хотя в этом явлении задействовано много разных факторов, в т.ч. свойства паяльной пасты, точность монтажа компонентов, форма апертур в трафарете, профиль кривой нагрева и т.д., в конечном счете можно сказать, что выворачивание компонента (см. рис. 57, 58) происходит, когда момент сил Т3 превзойдет все остальные моменты, т. е. Т1 Т2 < Т3 .
У компонентов маленьких размеров, например в корпусах 0201, 0402, явление выворачивания происходит гораздо чаще, поскольку у них расстояние от центра тяжести до точки опоры (d) довольно мало.Возникновению этой проблемы способствует целый ряд факторов, в т.ч.:– несообразный размер сторон площадки;– неаккуратное размещение компонентов при монтаже;– несоответствие объема наносимой пасты размеру площадки;– слишком большое количество паяльной пасты на площадке;– разная смачиваемость у разных выводов одного компонента.
Немаловажная причина, действующая в одиночку или совместно с указанными выше факторами — неодновременное начало смачивания и притягивания припоем выводов на разных сторонах компонента, что вызывает неуравновешенный момент Т1 Т2 < Т3.Полагают, что разница в 0,2 с при смачивании клемм на разных сторонах компонента уже может вызвать выворачивание компонента.
Чтобы разрешить проблему, необходимо создать условия моментов: Т1 Т2 ≥ Т3.Поскольку выворачивание происходит в силу разницы во времени начала смачивания или разницы силы натяжения при смачивании отдельных клемм компонента, представляется, что уменьшение количества наносимой пасты может быть вполне эффективной мерой, позволяющей поправить положение (см. рис. 59).
Как пользоваться?
Для того чтобы добиться максимально надежного и долговечного соединения элементов на печатной плате, нужно выполнить некоторые действия. Они включают несколько основных этапов.
- Для начала нужно произвести очистку и полное обезжиривание платы с дальнейшим обязательным просушиванием.
- Затем плату фиксируют на горизонтальной поверхности и равномерно, строго дозировано наносят пасту в участке соединения.
- Далее нужно осторожно разместить небольшие и SMD-детали на поверхности платы. Чтобы пайка была максимально надежной — на ножки микросхем дополнительно наносят ещё одну порцию припоя.
- При выполнении нижнего подогрева печатной платы включают фен с горячим воздухом. Направляя его поток, прогревают всю верхнюю часть с закрепленными на ней деталями.
- Когда флюс полностью испарится, температуру фена надо увеличить до температуры плавления припоя.
- По окончании работы следует дождаться остывания, затем тщательно промыть печатную плату.
Обращаем особое внимание на то, что весь процесс пайки должен обязательно контролироваться визуально.
Чтобы закрепление элементов посредством паяльной пасты оказалось наиболее качественным и долговечным, крайне важно позаботиться о ряде факторов.
В первую очередь нужно подготовить саму плату, особенно в том случае, если она продолжительное время стояла без использования, или на ней заметны окислы.
Консистенция паяльной пасты должна быть эргономичной, то есть не густой, но и не жидкой. Оптимальный вариант — это сметанная структура, что будет равномерно смачивать поверхность. Имейте в виду, что способность к смачиванию играет ведущую роль в качестве и крепости паяного соединения элементов.
При пайке деталей микросхем электронную пасту нужно наносить тонким слоем. В случае если она будет нанесена более толстым слоем, места выводов микросхем могут замкнуться. При выпаивании простейших элементов такая тонкая работа не требуется.
Если габариты печатной платы будут большие, то лучше создать нижний подогрев при помощи утюга либо спецсредства, так чтобы их температура составляла 100-50 градусов и выше. Если этого не сделать заблаговременно, то не исключено коробление платы.
Все лишние остатки припоя с легкостью снимаются с поверхности самым простым паяльником при помощи насадок. К примеру, для того чтобы удалить остатки используемых при пайке компонентов между ножек микросхем, следует воспользоваться жалом «волна».
Образование микросфер припоя
К возможным причинам образования микросфер (см. рис. 56) относятся:– первоначальное окисление порошка припоя;– окисление порошка припоя в процессе оплавления;– осадка пасты после печати, во время установки компонентов и во время пайки;– перенос частиц припоя с шаблона.
В основном проблема микросфер связана с природой паяльной пасты и исходным качеством порошка припоя. Если порошок припоя сильно окислился на стадии производства (при производстве порошка, его сортировке или перемешивании с компонентами флюса), будет наблюдаться дефект пайки в виде возникновения микросфер припоя.
Поскольку для удаления окисленных частиц нужны очень сильные активаторы, и эти частицы не расплавляются во время оплавления изделия, то при растекании флюса их выносит с площадок на соседние поверхности. Поскольку причины явления могут возникать на любой стадии производства, т.е. при печати, монтаже компонентов, оплавлении — необходимо самым тщательным образом установить, откуда проистекает проблема.
Если ее причиной является паяльная паста, то микросферы должны наблюдаться на всех местах пайки платы и постоянно возникать на каждой плате, пока используется одна и та же паста. Внимательно наблюдая за этим, вы сможете определить, обусловлена ли эта проблема паяльной пастой или технологическим процессом.
Перемычки припоя
Возможны следующие причины образования перемычек.– На площадки подается слишком много пасты (см. рис. 50). Желательно уменьшить размер апертуры с учетом растяжения трафарета, степени осадки пасты, точности совмещения при печати.
Примеры: если шаг элементов — 0,5 мм, ширина площадки 0,25 мм, ширина апертуры должна быть равна 0,235 мм. Если шаг элементов — 0,4 мм, ширина площадки 0,2 мм, то ширина апертуры — 0,185 мм.– Несовпадение местоположения компонентов и пасты (см. рис. 51).
– Слишком глубокая посадка компонентов (см. рис. 52). Когда ход вниз при посадке компонентов слишком велик, то паста может выдавливаться с площадки и приходить в соприкосновение с припоем соседних площадок.
– Осадка паяльной пасты. Слишком большое напряжение сдвига из-за высокой скорости ракеля может нарушить тиксотропные свойства пасты, и она потеряет стойкость к осадке. С другой стороны, если температура в помещении слишком высока (более 30°С), то вязкость пасты падает, и она также будет давать осадку.
Снизьте скорость ракеля; температура в помещении печати должна быть ниже 25°С.– Капиллярный подсос. При оплавлении в конвекционной печи корпус и выводы компонента быстрее достигают температуры точки плавления припоя, чем площадки, поэтому большая часть припоя притягивается к выводу, собирается у его кончика и соприкасается с припоем соседнего вывода, образуя перемычку (см. рис. 53).
По флюсу
Существуют три основные разновидности флюсов в составе паст для выполнения пайки:
- водосмываемые;
- канифольные;
- безотмывочные.
Канифольная подгруппа флюсов традиционно представлена неактивированными, а также умеренно активированными и активированными композициями. Наименьшую активность проявляют те флюсы, которые не подвергались процедуре активации.
Наиболее востребованы флюсы со средним уровнем активности — они быстро и качественно очищают обрабатываемую поверхность, ровным слоем растекаются по ней и при этом смачивают соединяемые друг с другом детали. Однако такие составы нередко вызывают появление ржавчины. Поэтому после выполнения пайки всю рабочую зону необходимо мыть горячей водой или специализированными растворителями.
Флюсы, подвергающиеся основательному активированию, обычно используются для фиксации сильно окисленных элементов — в этом случае спирт нужно разбавить органическими растворами и отмыть этой смесью рабочую зону после пайки.
Водосмываемые флюсы обычно производят на базе органических кислот. Их отличает максимальная активность, они способствуют формированию качественного шва, но при этом требуют максимально тщательного отмывания — сделать это можно обычной горячей водой.
При выполнении работы с флюсами из натуральных и полимерных смол отмывания не требуется даже в том случае, если после выполнения пайки на поверхности деталей можно заметить остатки — это никак не повредит изделию, остаток не будет проводить ток, он отличается стойкостью к окислительным процессам. А если вы все же хотите его отмыть, для этого стоит воспользоваться растворителем.
Принтеры
Электронная промышленность развивается, и плотность монтажа компонентов на печатной плате растет, а размер компонентов уменьшается. Из-за этого требования к характеристикам и качеству паяльных паст ужесточаются.
Критичный фактор при монтаже печатных плат с высокой плотностью монтажа компонентов — выбор оборудования и параметров печати, а также качество и характеристики паяльных паст. Это означает, что даже если подобрана потенциально очень хорошая паяльная паста, результат может оказаться удручающим только из-за неправильной установки рабочих параметров принтера или неудачного подбора ракеля и способа изготовления трафарета.
Факторы, определяющие качество печати, перечислены на рисунке 6. Рассмотрим их подробнее.
Трафареты
Способы изготовления трафаретов (см. рис. 7):
— химическое травление;
— лазерная резка;
— гальванопластика.
Прежде использовались трафареты, полученные химическим травлением, в силу их относительной дешевизны. Однако форма апертур таких трафаретов не позволяет получать качественную печать при размере апертур менее 0,5 мм.
Трафареты, изготовленные лазерной резкой, имеют меньший размер апертур, но на стенках апертур остается окал, получившийся в результате плавления металла. Без дополнительной обработки такие трафареты невозможно использовать для апертур шириной менее 0,4 мм или под корпуса BGA c диаметрами площадок 0,25–0,3 мм.
Третий метод — гальванопластика — дает трафареты с размером апертур до 0,1 мм. Используется крайне редко, потому что такой размер апертур практически не используется, а стоимость производства высока.
Толщина трафарета определяется минимальными размерами и шагом между апертурами. Чем тоньше трафарет, тем лучше результаты при печати, поскольку тонкие трафареты вызывают меньшее напряжение сдвига в пасте при отделении от подложки (см. рис. 8).
Рекомендуемая толщина трафарета в зависимости от размера апертур приведена в таблице 4.
| Минимальный шаг выводов, мм | Толщина трафарета, мкм |
|---|---|
| > 0,65 | 0,15; 0,2 |
| 0,5 | 0,12; 0,15 |
| 0,4 (диаметр MBGA 0,3 мм) | 0,12; 0,15 |
| SMD 0201 | 0,08; 0,1 |
| SMD 03015; 01005 | 0,08 и менее |
Желательно, чтобы размер апертуры был несколько меньше площадки на печатной плате, чтобы скомпенсировать растяжение трафарета, допуски на совмещение и осадку паяльной пасты. Пример апертуры под контактную площадку вывода корпуса QFP (шаг 0,5 мм) приводится на рисунке 9.
Рис. 9. Размер отверстия в шаблоне должен быть меньше размера площадки
Геометрическая форма апертур сильно влияет на число дефектов пайки. Поэтому к изготовлению трафаретов нужно подходит очень ответственно, как на этапе конструирования, так и на этапе изготовления.
Правила расчета размеров апертур иллюстрирует рисунок 10. Рисунок 11 показывает, что при использовании апертур со скругленными углами уменьшается адгезия между пастой и стенками апертур при отделении трафарета от подложки, что уменьшает искажение отпечатка.
Рис. 10. Расчет размеров отверстия в трафарете Рис. 11. В отверстиях со скругленными углами адгезия между пастой и стенками отверстий меньше
Что касается минимального размера апертур, то не менее 5 самых больших шариков припоя должны вписываться в самую маленькую апертуру по ее меньшей стороне (см. рис. 12).
Ракели
Ракели бывают резиновыми и металлическими. Резиновые ракели подразделяются по форме на квадратные, плоские и сабельные (см. рис. 13). Нельзя сказать, какой из ракелей лучше: от рабочего угла ракеля зависит растекаемость пасты, а хорошая растекаемость дает должное заполнение каждой апертуры паяльной пастой.
Рабочий угол сабельного ракеля составляет 70–80°. Поскольку сила, направленная вниз, относительно невелика, такой ракель больше подходит для паст с низкой вязкостью.
У квадратного ракеля рабочий угол составляет 45°. Он оказывает высокое давление на паяльную пасту, поэтому его лучше применять для высоковязких паст. Если работать этим ракелем с низковязкими пастами, то паста затечет под трафарет (см. рис. 14).
Рабочий угол плоского ракеля — 50–60°. Изменяя угол наклона, можно работать с пастами различной вязкости.
При работе с резиновыми ракелями надо постоянно следить, чтобы рабочая кромка всегда была острой. При износе кромки приходится увеличивать нажим, чтобы избежать размазывания пасты. При этом возрастает и давление, под которым происходит заполнение апертур пастой, что увеличивает трение между частицами припоя и неблагоприятно влияет на отделяемость пасты от стенок апертур.
В отличие от резиновых, жесткие металлические ракели не изнашиваются, работают долго и не захватывают пасту из отверстий.
Смачиваемость паяльных паст
Шумских Илья Юрьевич — аспирант Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева
Аннотация: В статье рассмотрены характеристики паяных соединений, исследованы взаимосвязи первоначальных параметров материалов входящих в состав
паяных соединений и параметров самого паяного соединения в определенный момент времени, подробно изучен процесс смачивания металлов.
Ключевые слова: паяные соединения, паяльная паста, смачивание, параметры,паяемость, надежность, качество.
Контроль качества РЭА является важнейшей операцией и должен проводиться со стадии проектирования изделия. Никакой другой процесс, кроме пайки, не вмещает в себя такой широкий круг физико-химических явлений, протекающих в твердой, жидкой и газовой фазе: восстановление и диссоциация, испарение и возгонка, смачивание и капиллярное течение, диффузия и растворение, пластифицирование и адсорбционное понижение прочности.
Характеристики паяных соединений зависят не только от природы их получения, но и от параметров припоев, паяльных смесей и паст, а также спаиваемых материалов. Наиболее распространенным методом конструирования и сборки печатных узлов на сегодняшний день является технология поверхностного монтажа (SMT — Surface Mount Technology) или SMD — технология (Surface Mounted Device — прибор, монтируемый на поверхность). Паяльная паста служит неотъемлемой частью такой технологии, поэтому и рассмотрим именно ее параметры.
Паяльная паста представляет собой массу, состоящую из смеси порошкообразного припоя с частицами, обычно сферической формы, и флюса связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц порошкообразного припоя, типа флюса и всевозможных присадок для улучшения смачиваемости. Реологические свойства паяльных паст позволяют использовать автоматическое нанесение. Немаловажны и электрические свойства. Паяльная паста служит временным клеем во время установки компонентов и образует постоянное электрическое и механическое межсоединение после операции пайки. Развитие технологии паяльных паст не только поддерживает непрерывную миниатюризацию в электронной промышленности, но также подает надежду на внедрение недорогих процессов формирования шариковых выводов.
Требования, предъявляемые к паяльным пастам, следующие:
— температура плавления паяльной пасты должна быть ниже температуры плавления паяемого металла;
— паяльная паста должна обладать хорошей клейкостью для удержания компонентов до пайки;
— паяльная паста должна обладать хорошей текучестью в жидком состоянии, смачивать поверхности металлов, растекаться, проникать в узкие зазоры (но иметь стойкость к растеканию при предварительном нагреве);
— паяльная паста должна образовывать с соединяемыми материалами сплав, обеспечивать прочную связь;
— коррозионная стойкость паяных швов у материала должна быть одинаковой, во избежание электрокоррозии;
— температурный коэффициент линейного расширения паяльной пасты и основного металла должны быть одинаковы во избежание остаточных напряжений и трещин;
— паяльная паста не должна в значительной степени снижать прочность и пластичность соединяемых материалов;
— электропроводность, теплопроводность и другие физико-химические свойства паяльной пасты и основного металла не должны кардинально отличаться;
— паяльная паста должна как можно дольше храниться без изменения свойств;
— после пайки паяльная паста должна оставлять минимальное количество легко удаляемых остатков флюса.
Из вышесказанного следует, что успешное нанесение паяльной пасты и ее оплавление основываются на хорошо продуманной реологии пасты. Вязкость паяльной пасты должна быть достаточно высока для поддержания устойчивого взвешенного состояния тяжелого порошкообразного припоя во флюсе во время хранения и обращения. В то же время она должна быть довольно низка во время нанесения пасты, чтобы паста могла легко течь через отверстия в трафарете. Затем, после нанесения, вязкость пасты вновь должна быть достаточно высока для того, чтобы сохранить форму отпечатков пасты и избежать расползания и образования перемычек как перед, так и после оплавления.
Поэтому, большинство современных предприятий при входном контроле и непосредственно перед использованием паяльных паст используют только системы измерения вязкости, вискозиметры, ошибочно полагая, что параметр вязкости определяет качество паяльной пасты и ее способность сохранять свои свойства.
Тем не менее, способность пасты равномерно наноситься на поверхности (клейкость), такие свойства, как смачиваемость и растекаемость, отсутствие эффекта излишней растекаемости — вот основные параметры паяльной пасты, определяющие качество конечных продуктов.
Плохое смачивание или отсутствие смачивания очень неприятный дефект, поскольку его трудно обнаружить, а его наличие может вызвать серьезные претензии, если изделие уже попало на рынок.
Плохая смачиваемость является дефектом паяльных паст. Этот дефект влияет на возникновение таких дефектов выпускаемых печатных узлов, как микрозамыкание, сдвинутый участок, ложная пайка, холодная пайка, эффект «надгробного камня», трещины в пайке, слабое соединение, пустоты и др.
Очень часто изделия могут оказаться в условиях с постоянно изменяющимися температурами, изменяющейся влажностью, могут подвергаться ударам и вибрациям. Если пайка недостаточно прочная, в соединениях возможно развитие трещин или, что еще хуже, компоненты схемы могут просто отлетать от платы. Поэтому показателю смачиваемости зачастую присваивается наивысший приоритет среди других основных характеристик, таких как время сохранения липкости и других показателей реологии паст.
Смачивание – это тот процесс в пайке, где припой входит в прямой металлический контакт с металлами, которые спаиваются в соединение, создавая в нем специальный сплав припоя и металла. В свою очередь, это предполагает, что металлическая поверхность соединения настолько чиста, что можно создать металлический контакт.
Когда жидкость попадает на поверхность твердого тела, она принимает определенную форму, которая определяется свойствами и жидкости и твердого тела. Угол в точке контакта жидкости с твердой поверхностью между плоскостями жидкости и твердого тела называют «угол контакта». Величина этого угла служит показателем смачиваемости. Естественно на практике никто не измеряет величину этого угла. Это технологически и невозможно и не принципиально. Контроль смачиваемости производится визуально. Иногда снимки контролируемого соединения сравниваются с эталонными снимками, но, зачастую, плохая смачиваемость очевидна и без этого.
Часто для описания связи между металлом и припоем, когда припой смачивает металл, используют термин «интерметаллид» (в качестве интерметаллической связи). Но это неправильно: в действительности этот точный металлургический термин относится к интерметаллическим соединениям, т.е. соединениям элементов, чьи атомы имеют чрезвычайно высокое сродство друг с другом – настолько близкое, что их наличие отрицает связь с другими элементами другими средствами. Чтобы понять разницу между интерметаллическими соединениями и сплавами, очень важно понимать, что интерметаллические химические соединения имеют фиксированные стехиометрические соотношения. Сплавы же характеризуются соотношениями металлов, которые могут быть различными.
Смачивание осуществляется, когда припой входит в близкий контакт с атомами металлов. Если поверхность металла абсолютно чистая и на ней имеются атомы металлов, тогда припой смачивает металл, формируя связь с атомами металла на поверхности раздела. После того, как это межповерхностное сцепление сформировалось, его нельзя удалить.
Если же металлическая поверхность каким-либо образом загрязнена, скажем, окислена, и на поверхности нет атомов металлов, тогда не происходит смачивания подобно тому, как капля воды на масляной поверхности остается в форме капельки.
Рассматривая процесс смачивания металлов, необходимо определить два других термина. Первый обозначает несмачивание, означающее, что частично или на всей металлической поверхности, которую нужно припаять, нет припоя. Обычно это происходит на поверхности, где загрязнение или оксид препятствуют формированию необходимого сцепления между металлом и слоем припоя. Второй обозначает десмачивание – утерю способности смачиваться – когда, после того как произошло соединение припоя с поверхностью, припой оттягивается от металлической поверхности и образует случайным образом разбросанные капли. В дальнейшем припой нельзя собрать из-за возникшего высокого поверхностного натяжения. Иногда бывает трудно определить случай десмачивания, простого визуального контроля бывает недостаточно.
Причина обеих проблем обычно заключается в недостаточной чистоте металлической поверхности, хотя десмачивание может иметь место, когда образуются большие количества интерметаллических соединений.
Для начала рассмотрим влияние компонентов сплава на смачивание, сделаем выводы, и потом уже будем изучать причины плохой смачиваемости, обусловленные не природой самой пасты, а условиями ее эксплуатации (например, разновидностью температурных профилей оплавления).
Так как на смачивание большое влияние оказывает образование интерметаллических соединений и так как образование интерметаллических соединений определяется реакцией между элементами, справедливо ожидать, что компоненты сплава припоя будут иметь значительное влияние на смачивание припоев. Существует следующий порядок ранжирования ряда эвтектических двойных сплавов по их способности содействия смачиванию: олово > свинец > серебро > индий > висмут. Данный порядок ранжирования сохраняется даже для трех- и четырехкомпонентных припоев.
Также необходимо отметить, что влияние компонентов сплава на смачивание должно рассматриваться только как руководящий принцип. Многие другие параметры, такие, как вязкость или совокупное воздействие, могут доминировать над влиянием отдельных компонентов и изменить относительный порядок растекания припоев. Например, хотя чистое Sn по смачиванию медной поверхности превосходит эвтектический сплав SnPb , припой SnAgBi, такие, как Sn91,7/Ag3,5/Bi4,8, смачивают лучше, чем эвтектический припой SnAg, несмотря на добавдение менее предпочтительного элемента Bi.
При образовании окисной пленки на поверхности спаиваемых тел именно эта пленка, как уже говорилось выше, становится основным препятствием на пути их хорошего смачивания припоем. Флюс, который помимо шариков сплавов входит в состав паяльных паст, играет большую роль для обеспечения должной смачиваемости. При этом он выполняет следующие функции:
— образует однородную структуру с припоем;
— обеспечивает необходимые реологические свойства паяльной пасты, снижает поверхностное натяжение припоя;
— способствует сохранению формы отпечатков пасты;
— обеспечивает клеящие свойства паяльной пасты для фиксации компонентов после их установки;
— удаляет оксиды с поверхностей, подлежащих пайке, и частиц припоя;
— создает защитную пленку для предотвращения повторного окисления в процессе пайки;
— содействует самоцентрированию компонентов в процессе пайки;
— содействует передаче тепла при пайке.
Флюс состоит из различных канифолей, активаторов, тиксотропных материалов и растворителей. За паяемость отвечают канифоли и активаторы. Тиксотропные материалы и растворители на паяемость не влияют.
После рассмотрения компонентов паяльных паст, напрашивается вывод, что плохая смачиваемость, которая обычно встречается на выводах ИС, вызывается следующими причинами:
1.Сильным окислением основного металла (меди, фосфористой бронзы и др.). В производстве корпусов с выводами сначала проводится металлизация выводного провода припоем, затем вывод формуют, потом отрезают по заданной длине. Другими словами, при производстве таких компонентов незащищенный сплав припоя сразу же подвергается воздействию внешней среды после изготовления компонента и легко окисляется при хранении.
2. Применением трудных для пайки металлов, типа сплава 42 (Fe, Ni).
По мере миниатюризации шаг элементов уменьшается (0,6 — 0,5 — 0,4 мм), провода выводов становятся тоньше и тоньше, и они легко гнутся. Чтобы сделать их более жесткими, стали использовать сплавы типа Fe, Ni. Окисная пленка с таких сплавов удаляется с большим трудом. Поэтому активирующую способность паяльных паст следует оценивать по способности активирующих добавок флюса удалять окисную пленку.
Активаторы можно подразделить на две группы:
— на основе галогенов;
— на основе органических кислот.
И те, и другие реагируют с окисленными металлами и очищают их. Реакционная способность зависит от конкретных компонентов, но в принципе, галогеносодержащие соединения оказывают более сильное действие и вполне эффективно удаляют пленку окиси, но, с другой стороны, в сравнении с органическими кислотами они несут с собой и большую опасность коррозии.
Ранее для оценки флюсов широко пользовались стандартом MIL. По МILQQ-S-571 флюсы подразделялись на флюсы типа R (на основе натуральных канифолей), флюсы типа RMA (слегка активированные, на основе натуральных канифолей), флюсы RA (активированные на основе натуральных канифолей) и флюсы типа LR (c малым остатком).
Стандарт MIL сейчас заменен новым стандартом IPC/EIA J-STD-004. Классификация флюсов по этому стандарту представлена в таблице 1.
Уровень активности флюса свидетельствует о коррозионных и проводящих свойствах остатков флюса после пайки и необходимости их удаления. Удаление остатков флюса на основе чистой канифоли (RO) и слабо активных флюсов (ROL0, REL0), как правило, не требуется. Остатки средне активных флюсов (ROH0, ROH1, REH0, REH1) обычно необходимо удалять с помощью специальных растворителей. Остатки органических флюсов (OR) подлежат обязательной отмывке в воде.
Как уже пояснялось выше, плохая смачиваемость обычно связана с плохим качеством компонентов (окислением), применением трудно паяемых сплавов в качестве основных металлов (Fe, Ni, и т. д.) и в покрытиях (Ni/Pd, Ni/Au и т. д.).
Таблица 1. Классификация флюсов по стандарту IPC/EIA J-STD-004.
Основа флюса | Уровень активности флюса (% содержание галогенов) | Тип флюса по IPC/EIA J-STD-004 |
Канифоль Rosin (RO) | Низкий (0%) | ROL0 |
Низкий (<0,5%) | ROL1 | |
Средний (0%) | ROM0 | |
Средний (0,5-2,0%) | ROM1 | |
Высокий (0%) | ROH0 | |
Высокий (>2,0%) | ROH1 | |
Синтетические смолы Resin (RE) | Низкий (0%) | REL0 |
Низкий (<0,5%) | REL1 | |
Средний (0%) | REM0 | |
Средний (0,5-2,0%) | REM1 | |
Высокий (0%) | REH0 | |
Высокий (>2,0%) | REH1 | |
Органические кислоты Organic (OR) | Низкий (0%) | ORL0 |
Низкий (<0,5%) | ORL1 | |
Средний (0%) | ORM0 | |
Средний (0,5-2,0%) | ORM1 | |
Высокий (0%) | ORH0 | |
Высокий (>2,0%) | ORH1 |
Единственную меру, которую можно порекомендовать – это повысить немного в допустимых пределах пиковую температуру пайки, так чтобы не повредить компоненты, например, с 210°C до 220°С. Можно также предложить использовать активные, например, галогеносодержащие, пасты, если это будет приемлемо. Также сейчас для решения проблем плохой смачиваемости большинство производителей паяльных паст стали выпускать безотмывочные паяльные пасты с мощным смачивающим действием и не содержащие галогенов.
Из вышесказанного, казалось бы, следует, что можно выбрать безотмывочную пасту и забыть про проблему плохой смачиваемости и, как следствие, большинства типов дефектов. Но это не так. Необходимо для каждого конкретного случая учитывать все преимущества и недостатки безотмывочных паст и паст требующих отмывки. Поэтому рассмотрим плюсы, минусы и особенности технологий применяемых при использовании паст, содержащих флюсы, не требующие отмывки, и паст с водосмываемыми флюсами.
Отличительной особенностью паст с флюсами, не требующими отмывки является применение в их составе флюса, который не требует обязательного удаления остатков после пайки. Оставшийся на поверхности флюс после пайки не должен способствовать протеканию коррозионных процессов и ухудшать уровень электрических параметров печатной платы и всего печатного узла в целом. Это принципиально важно, т.к. при пайке за счет капиллярного эффекта флюс затекает в узкий зазор (до 50 мкм) между корпусом электронного компонента и печатной платы.
После пайки остатки флюса, не требующего отмывки, сшиваются в полимер, который запечатывает все оставшиеся растворители и активаторы. Этот полимер является хорошим диэлектриком, но при этом он будет чувствителен к внешним воздействиям и разрушается при температурных колебаниях и механических воздействиях. Разрушение полимера приведет к попаданию на поверхность печатного узла активаторов, обладающих проводимостью и вызывающих коррозионные эффекты во влажной среде.
Решение об отмывке печатных плат в каждом конкретном случае принимают технологи и разработчики РЭА с учетом конструктивных особенностей печатных узлов, уровня технологического оснащения предприятия, а также условиями эксплуатации РЭА. В большинстве случаев именно при изготовлении бытовой, но никак не космической, электроники отмывка флюса не требуется.
В случае необходимости удаления остатков даже не требующего отмывки флюса, например, при эксплуатации изделий в жестких климатических условиях, для высоко ответственной аппаратуры, в том числе космической и бортовой, перед нанесением влагозащитных покрытий, печатные узлы могут и должны быть эффективно отмыты от остатков флюсов после пайки с применением специализированных промывочных жидкостей. Большинство паяльных паст крупных производителей не содержат во флюсе сложно удаляемых компонентов и протестированы производителями промывочных жидкостей на пригодность к отмывке.
Паяльные пасты с водосмываемыми флюсами всегда отличаются хорошей смачиваемостью на разнообразных типах финишных покрытий: иммерсионное олово, иммерсионное серебро, никель/золото, палладий, сплав 42, HASL и OSP, как при пайке в воздушной среде, так и в инертной. Эти флюсы содержат большое количество активаторов влияющих на смачиваемость с учетом, что их остатки после оплавления останутся активными, но будут легко удалены в самое короткое время после пайки. Их рекомендуется удалить в течение 72 часов после пайки. Наилучшее качество отмывки отмечено при отмывке теплой деонизированной водой в струйных системах отмывки. Чем Быстрее будет произведена отмывка остатков водосмываемого флюса, тем меньше будет воздействие на паяные соединения и тем проще будет подобрать параметры отмывки для полного удаления остатков флюса.
Параметры отмывки подбираются в зависимости от количества остатков флюса и плотности поверхностного монтажа. Если отмывка печатного узла производится более чем через 72 часа после оплавления или печатный узел хранился в помещении с повышенной относительной влажностью воздуха, а также, если этот печатный узел используется в космической или бортовой аппаратуре, то для получения хороших результатов отмывки рекомендуется использовать специальные промывочные жидкости для удаления остатков флюса. Отмывка водосмываемой паяльной пасты специализированными промывочными жидкостями позволяет получать стабильно качественные результаты.
Рассмотрев пайку с безотмывочными пастами и пастами требующими отмывку, мы плавно перешли от причин возникновения плохой смачиваемости, связанных с природой пасты, к технологическим причинам. Такие причины включают в себя: плохую и неравномерную паяемость основного металла, дегазацию, несоответствующий температурный профиль оплавления и среда пайки. Рассмотрим эти причины подробнее.
Относительно плохая и неравномерная паяемость основного металла может послужить причиной уменьшения способности смачиваться. Даже если основной металл первоначально смачиваем, ухудшение паяемости со временем все равно может привести к уменьшению способности смачиваться. На основном металле могут быть загрязнения под покрытиями из олова, олова и свинца, серебра или золота. Во время пайки покрытие растворяется, и открывается загрязнение. В качестве альтернативы рост интерметаллического соединения на границе раздела также может вызвать уменьшение способности смачиваться, так как обычно интерметаллические соединения быстро становятся не пригодными к пайке, когда подвергаются воздействию воздуха. В обоих случаях паяемость ухудшается, и образуются маленькие несмачиваемые области.
Уменьшение способности смачиваться может также произойти в результате газовыделения из компонента в расплавленный припой. Распад органических соединений под действие тепла или выделение воды гидратированными неорганическими соединениями образует газ. Водяной пар может быть также образован при протекании реакций с участием флюса. Степень уменьшения способности смачиваться зависит от количества выделившегося газа, состава газа и расположения места выделения газа. Чем больше количество, чем выше содержание водяного пара и чем глубже расположено загрязнение, вызывающее выделение, тем сильнее уменьшение способности смачиваться.
Несоответствующий профиль пайки и среда могут также послужить причиной уменьшения способности смачиваться. Для минимально смачиваемой поверхности недостаточность подводимой теплоты, например вследствие слишком низкой температуры пайки или слишком малого времени пребывания при температуре, превышающей температуру ликвидуса припоя, усугубит плохое смачивание и приведет к большему количеству несмоченных участков на границе раздела припой — основной металл. С другой стороны, чрезмерный подвод теплоты может также привести к уменьшению способности смачиваться вследствие ухудшения паяемости и дегазации.
Дополнительно рассмотрим преимущества и особенности пайки оплавлением в среде азота, или, как обычно говорят, в инертной среде. Разница между оплавлением в воздухе и оплавлением в среде азота заключается лишь в том, происходит или нет дополнительное окисление контактных площадок и выводов компонентов во время нагрева в печи. Вполне естественно, что при хранении и контактные площадки и выводы компонентов окисляются. Когда же они попадают в печь, происходит дальнейшее окисление. Для удаления окислов приходится применять высокоактивные флюсы. При пайке в среде азота дополнительное окисление в печи почти не наблюдается, поэтому качественную пайку можно получить и с флюсами с низкой активностью.
К достоинствам этого процесса следует отнести:
1. Улучшение паяемости. Совместное использование азотной атмосферы и обычных безотмывочных паст дает более широкие допуски на активацию и повышает стабильность качества пайки за счет улучшения смачиваемости и уменьшения количества образующихся микросфер припоя (пустот).
2. Уменьшение количества остатка флюса. Минимальная дополнительная активация пасты позволяет создать пасту с низким содержанием твердых веществ (в основном смол), поскольку азотная атмосфера защищает частицы припоя от окисления.
3. Повышение надежности. Поскольку пайка проходит в атмосфере с низким содержанием кислорода, которая препятствует дополнительному окислению, можно значительно понизить активирующую способность пасты. Теоретически активность флюса можно снизить и до такого уровня без ущерба для качества пайки. Уменьшение количества активатора и снижение его активности буквально увеличивает надежность пайки. При подборе пасты и рассматривая вопрос о внедрении пайки в инертной атмосфере, необходимо как следует посмотреть и проанализировать причины, почему и зачем требуется столь специальный процесс.
Подведем итоги вышесказанного. Методы устранения уменьшения способности смачиваться помимо правильного выбора паяльной пасты включают в себя: улучшение паяемости основного металла, устранение загрязнений и источников дегазации в основном металле, применение инертной или восстановительной среды пайки, использование соответствующего профиля паки, а также принятие решения об отмывке печатного узла после пайки.
Список литературы:
1. Шумских, И.Ю. Исследование параметров паяльных паст с целью прогнозирования надежности паяных соединений – Украина, Одесса: Современные направления теоретических и прикладных исследований, 2022: сборн. научн. тр. – Т.6. – С. 58-64.
2. Инженерное пособие. Материалы для пайки и ремонта печатных узлов – М.: ЗАО Предприятие Остек, 2022.
3. Кантер, А., Вахрушев, О. «Качественная паяльная паста – залог успешного производства»: Технологии в электронной промышленности, №7’2009. – с 16-18.
4. Нижник, М., Черный, А. «Паяльные пасты: все о главном. Часть 2»: Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, №6’2008. – с 26-32.
5. Ли, Нинг-Ченг. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP, и flip, сhip технологии / Нинг-Ченг Ли. – М.: Издательский Дом «Технологии», 2006. – 391 c.
6. Джюд, М., Бриндли, К. Пайка при сборке электронных модулей / Майк Джюд, Кейт Бриндли. – М.: Издательский Дом «Технологии», 2006. – 414 c.
Состав паяльных паст
Паяльные пасты состоят из припоя и флюса (см. рис. 2). При выборе комплекса припой флюс для паяльной пасты учитывают характеристики, приведенные на рис. 3.
Порошок припоя
Для производства порошка припоя используют методы газового и центробежного распыления. Особенности метода газового распыления:
— получение частиц малого размера;
— легкость управления процессом образования окисной пленки на поверхности частиц;
— низкий уровень окисления частиц припоя.
Полученные частицы порошка припоя имеют размеры 1–100 мкм. На распределение размеров частиц припоя и их диаметр влияет скорость подачи припоя, скорость вращения шпинделя и содержание кислорода.
Порошок получают в емкости высотой около 5 м и диаметром 3 м, которая заполнена азотом и кислородом очень малой плотности (см. рис. 4). Слитки припоя плавят в тигле, расположенном в верхней части резервуара. Расплавленный припой капает вниз на шпиндель, вращающийся с большой скоростью.
Рис. 4. Получение порошка припоя газовым распылением
Затем порошковый припой попадает на сортировочное сито, где лучше всего использовать метод двойной сортировки порошка припоя. На первой стадии порошок сортируют струей азота от воздуходувки. При этом отсеиваются частицы с размерами меньше нужного. Затем порошок идет на сито, где задерживаются частицы с размерами, превышающими заданные величины.
Рис. 5. Степень окисления частиц припоя в зависимости от их размера
Паяльные пасты с размером частиц 20–38 мкм применяются при монтаже печатных плат с шагом апертур трафарета до 0,4 мм, а с размером 20–50 мкм — для шага от 0,5 мм.
На качество порошков влияют два фактора.
Распределение размера частиц влияет на реологию паяльных паст, печать, растекаемость, характер отделения от трафарета и показатели осадки паст. Минимальный размер апертур трафарета зависит от минимального размера контактных площадок на печатной плате, при этом максимальный размер апертуры меньше или равен размеру контактной площадки.
Флюс
Второй компонент паяльной пасты — это флюс. Роль флюса в паяльных пастах та же, что и при пайке «волной припоя», или селективной пайке. Флюс должен:
— удалить оксидную пленку и предотвратить повторное окисление в процессе пайки. Металлические поверхности в условиях высоких температур при оплавлении быстро окисляются. Твердые компоненты флюса при этих температурах размягчаются и переходят в жидкое состояние, покрывая и защищая спаиваемые поверхности от повторного окисления.
— удалить загрязнения. Впрочем, флюс не справится с большим количеством пото-жировых отпечатков, поэтому лучше плату брать в руки в перчатках;
— обеспечить стабильность вязкости пасты, требующуюся при печати и оплавлении.
Основные флюсующие компоненты и их роль указаны в таблице 3.
| Группа | Вещества | На что влияют | Пояснение |
|---|---|---|---|
| Активаторы | Аминхлоргидрат. Органические кислоты и т.д. | Активирующая способность (паяемость). Надежность (поверхностное сопротивление остатков флюса, уровень электромиграции и коррозии). Срок хранения. | Именно эти компоненты в основном обеспечивают эффективное удаление окислов. Активаторы не только размягчают и переводят в жидкую форму древесные смолы, они также смачивают поверхность металла и реагируют с окислами. |
| Канифоли | Древесная канифоль. Гидрированная канифоль. Диспропорционированная канифоль. Полимеризующаяся канифоль. Канифоль, денатурированная фенолом. Канифоль, денатурированная эфиром. | Печать. Паяемость. Стойкость к осадке. Клейкость. Цвет остатков флюса. Контролепригодность. | Эти виды канифоли размягчаются на стадии предварительного нагрева (температура размягчения 80–130°С) и растекаются по поверхности частиц припоя и по подложке. Фирма «KOKI» обычно использует натуральные древесные канифоли. В зависимости от вида обработки они имеют различный цвет (чаще всего желтый или желто-оранжевый), активирующую способность и температуру размягчения. Для управления технологическими свойствами (осадкостойкостью, клейкостью и т. д.), а также свойствами остатка (его цветом, пластичностью, способностью обеспечивать тестируемость схемы) обычно в состав флюса входит не менее 2–3 различных видов канифоли. |
| Тиксотропные материалы | Пчелиный воск. Гидрированное касторовое масло. Алифатические амиды. | Четкость печати. Вязкость. Тиксотропность. Стойкость к осадке. Запах. Отмываемость. | Эти компоненты позволяют обеспечить стойкость пасты к напряжениям сдвига, возникающим в процессе печати и установки компонентов на плату, и восстанавливают вязкость пасты после нанесения ее на подложку. Дополнительные компоненты обеспечивают легкое отделение пасты от трафарета, что улучшает качество печати. |
Рассмотрим теперь факторы, влияющие на качество печати.
Рис. 6. Факторы, влияющие на качество печати
Характеристики флюса
– Повышенное содержание флюса в паяльной пасте обеспечивает лучшую смачиваемость поверхности при создании соединения.– Флюс в большей мере очищает и подготавливает паяемую поверхность, чем проволочный припой с сердечником из флюса, улучшая распределение металла и глубину интерметаллического соединения.
Идеальное решение
Идеальным решением проблем, связанных с ручной пайкой, видится то, которое в наибольшей мере не зависит от уровня квалификации оператора (см. рис. 4). Другими словами, любой сотрудник может выполнять с помощью этого решения стабильную высококачественную пайку.
Чтобы избежать проблем, связанных с обслуживанием и эксплуатацией жала паяльника, это решение должно использовать бесконтактные методы разогрева. Необходимо, чтобы метод нагрева был надежным: даже соединение не должно перегреваться.Объем припоя в соединении должен быть унифицирован, а положение паяного соединения — стабильно от изделия к изделию.
Хранение
Как показывает практика, подавляющее большинство изъянов, связанных с применением пасты для пайки, объясняется нарушением правил транспортировки, хранения и подготовки рабочего состава.
Всякая паяльная паста включает 2 основных ингредиента — металл и флюс, которые имеют различную плотность. Именно поэтому в отдельных составах незначительный объем флюса начинает выделяться и приподнимается над поверхностью самой пасты. В условиях чрезмерного нагрева выделение флюса многократно усиливается, и это резко ухудшает реологические характеристики состава – в результате паста растекается не так, как нужно. Это означает, что паяльную пасту следует защищать от повышенных температур и принудительно нагревать перед использованием.
Резко ухудшает качество любой пасты влага. Дело в том, что состав пасты для пайки отличается гигроскопичностью, то есть имеет свойство впитывать воду, даже из окружающей среды. При этом влага приводит к окислению шариков припоя ещё до оплавления либо же значительно повышает скорость его окисления в процессе оплавления. В условиях повышенной влажности флюс не до конца очищает спаиваемые поверхности и не обеспечивает необходимого уровня смачиваемости.
Кроме того, повышенная влажность и действие воды могут стать причиной таких дефектов пайки, как формирование перемычек, закипание флюса либо снижение времени клейкости пасты.
Не стоит замораживать состав, поскольку включенные во флюс активаторы начинают отделяться, и это самым негативным образом сказывается на технико-эксплуатационных параметрах изделия.
Пасту после длительного хранения нужно корректно подготовить к работе. Наносить её в холодном виде не рекомендуется — если открыть состав в тот момент, когда его температура будет ниже, чем температура конденсации того помещения, в котором проводятся работы, то на поверхности состава сразу же образуется конденсат.
Он вызывает закипание и сильное разбрызгивание флюса, смещение деталей и многие технологические дефекты. Чтобы избежать этих неприятных проблем, пасту перед нанесением нужно нагреть. Однако делать это нужно естественным путем без использования нагревательного прибора — обычно на это уходит 4-6 часов.
Но это вовсе не будет означать, что пасту не надо нагревать, поэтому такой способ нельзя отнести к корректному методу подготовки состава к употреблению.
После того как паста прогреется до оптимального уровня температуры, следует быстро и очень осторожно перемешать её лопаткой. Делать это нужно строго в одном направлении на протяжении пары-тройки минут, таким образом можно добиться равномерного перемешивания всех составных компонентов.
О том, как правильно паять паяльной пастой, смотрите в следующем видео.
