Паяльные пасты: все о главном. Часть 3

Виды паяльных паст

Пасты классифицируются по типу флюсов (см. рис. 1).

«Водорастворимую» паяльную пасту (остатки флюса после пайки растворяются водой), требующую обязательной отмывки из-за содержания активного флюса (см. таблицу 1), отмывают последовательно обычной, дистиллированной и деионизированной водой, причем на каждом этапе применяют струйную отмывку или ультразвук. Для «водорастворимых» паст, не требующих обязательной отмывки, процесс ограничивается дистиллированной водой.

Рис. 1. Классификация паяльных пастТаблица 1. Классификация флюсов

С пастами, требующими отмывки специальными жидкостями, ситуация иная. Вне зависимости от наличия в составе галогенов, такие пасты основаны на канифольных флюсах, поэтому для их отмывки после пайки рекомендуется применять растворитель типа HCFC и омыляющий реагент. Потом отмывочные жидкости, в свою очередь, отмываются дистиллированной, а затем деионизированной водой.

Вместе с тем, многие паяльные пасты, не содержащие галогенов, отмываются трудно и оставляют на поверхности плат белесый остаток флюса. При этом стойкость к осадке считается важнее отмываемости.

Большинство паяльных паст, не требующих отмывки, освобождают производство от этого технологического процесса. Флюсы таких паст защищают паяное соединение от коррозии подобно лаку. Сосредоточимся на пастах, не требующих отмывки: они наиболее технологичны.

Рис. 2. Состав паяльных паст

Часто говорят: безотмывочные пасты не должны содержать галогенов. Надо четко уяснить, что если в документации на пасту указано «Требует отмывки», то мыть надо обязательно, а если такой маркировки нет, то вопрос решается исходя из дополнительных требований к изделию: внешний вид, нанесение лака.

В Японии, например, галогенсодержащие пасты (0,2%) в процессах без отмывки после пайки гораздо популярнее безгалогенных. Галогенсодержащие паяльные пасты сравнительно более технологичны, например, по паяемости, но часто уступают безгалогенным пастам по надежности, что проявляется в снижении сопротивления изоляции готового монтажа.

Рис. 3. Основные характеристики, учитываемые при разработке или выборе паяльных паст

В идеале, для пайки без отмывки нужна паста без галогенов, но с паяемостью, как у галогенсодержащей пасты.

Трудность заключается в повышении химической активности безгалогенных безотмывочных паст. В большинстве таких паст в качестве активатора вместо галогенсодержащих соединений используются органические кислоты, причем чем меньше молекулярный вес кислоты, тем больше способность активации.

Вместе с тем такие высокоактивные органические кислоты поглощают влагу. Это чревато: оставшаяся в остатках флюса на поверхности подложки кислота при взаимодействии с водой ионизируется, что уменьшает поверхностное сопротивление изоляции и ведет к электромиграции.

В системах активации в паяльных пастах (здесь автор опирается на технические данные по пастам ) используются менее гигроскопичные органические кислоты и специально разработанный безионный активатор. Эта специальная система не диссоциирует на ионы, ее электрические свойства стабильны, а активирующая способность не уступает галогенам.

Вот примеры популярных типов паст:

• паяльная паста для высокоскоростной печати;
• паяльная паста с высокой смачивающей способностью;
• паяльная паста для автоматического внутрисхемного тестирования;
• универсальная паста с чрезвычайно длительным временем жизни на трафарете.

Таблица 2. Жизненный цикл паяльной пасты на производстве

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.

Рекомендуем высококачественные паяльные пасты для поверхностного монтажа от японского производителя KOKI.

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.

Рис. 7. Поверхность стенок отверстий в шаблонах в зависимости от способа изготовления
Рис. 7. Поверхность стенок отверстий в шаблонах в зависимости от способа изготовления
Рис. 8. Чем тоньше шаблон, тем меньше сдвигается паяльная паста при отделении от подложки
Таблица 4

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

Рис. 10. Расчет размеров отверстия в трафарете

Рис. 11. В отверстиях со скругленными углами адгезия между пастой и стенками отверстий меньше

Рис. 12. В самое маленькое отверстие трафарета должны вписываться от 4 до 5 самых больших шариков припоя

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.

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).

Разделение по химическому составу

По химическому составу современные, практичные припои распределяются на мягкие легкоплавкие и твердые тугоплавкие.

В первую категорию входят следующие позиции:

• свинцовые – содержат только свинец в чистом виде и расплавляются при температуре от 180 до 230 °C;
• оловянные – состоят из олова и плавятся при 220 °C, создают прочный и пластичный шов;
• свинцово-оловянные – могут содержать от 15 до 90% олова. Температура расплавления таких элементов составляет 183-280 °C;
• оловянно-медные – на 97% состоят из высококачественного олова и на 3% из меди. Относятся к самым популярным и продаются по разумной цене. Образуют прочное соединение с хорошей устойчивостью к коррозии;
• медные с серебром – на 95% состоят из меди и на 5% из серебра. Отличаются высокими прочностными характеристиками и обеспечивают надежное сцепление между фрагментами.

Применяются мягкие легкоплавкие компоненты для объединения в единый комплекс труб диаметром от 6 до 108 мм. В стыковой области образуют аккуратный шов шириной от 7 до 50 мм.

Свинец считается вредным для здоровья человека элементом. Использование свинцовосодержащих припоев категорически запрещается в сетях, подающих воду в многоквартирные или частные дома, на предприятия или в общественные учреждения. На другие типы коммуникаций этот запрет не распространяется.

Для высокотемпературной обработки подходят твердые тугоплавкие материалы:

• медь в сочетании с серебром и цинком – содержит меди 30%, серебра — 44% и цинка — 26%. Область сцепления отличается хорошей прочностью, сохраняет пластичность, эффективно противостоит коррозии и демонстрирует повышенную теплопроводность;
• медь с фосфором – сплав из 94% меди и 6% фосфора. В процессе пайки не нуждается в применении флюса. Делает крепкое и надежное соединение, но частично теряет эластичность при низких температурах окружающей среды;
• серебро – во время пайки требует обязательного использования флюса. Создает крепкий, надежный шов с хорошей пластичностью и высокой коррозийной устойчивостью. Стоит значительно дороже аналогов из простых металлов и широкого распространения не имеет. Применяется там, где есть экономическая целесообразность и предъявляются повышенные требования к качеству трубного соединения.

При помощи тугоплавких припоев монтируют комплексы из труб диаметром от 12 до 159 мм, включая газовые коммуникационные сети, отопительные трассы и водопроводные магистрали диаметром от 28 мм.

Использование классических медно-фосфорных или любых других элементов допускается при создании соединений внахлест. Такой вариант сцепления обеспечивает максимальную прочность конструкции и увеличивает период работы трубопровода.

Мягкие припои для удобства пользования обычно изготовляются в форме катушек. Твердые элементы поставляются в виде проволок разной длины.

Разновидности флюсов

Все флюсы отличаются друг от друга по разным показателям, но чаще всего по элементам, входящим в их состав. Для того, чтобы очистить металл, который предстоит паять, от загрязнений, используются следующие виды флюсов:

А для создания плёнки, которая будет выполнять защитные функции можно применить:

При пайке медных труб можно применять различные типы флюсов:

Жидкие составы хранят, как правило, в закрытых тубах и применяют их вместе с припоями, обладающими мягкой консистенцией. Порошковые флюсы являются менее популярными из-за неудобств, связанных с их использованием во время пайки. Пасты для пайки медных труб более дорогостоящие, однако, продаются в готовом виде и их применение возможно сразу. Паста для пайки позволяет упростить процесс и получить невероятно прочное и надёжное сцепление труб.

На сегодняшний день существует огромное количество разновидностей этого вещества. Однако выделяют три наиболее популярных вида, которые используются для пайки в том числе и медных труб:

Антикоррозийные составы. Такие вещества не только выполняют функцию очистки поверхности от окисления, но и удаляют воду из места пайки, вытесняя её. Использование такого состава позволяет не удалять остатки после пайки. Изготовить такой раствор в домашних условиях довольно трудно.

Составы на основе салициловой кислоты. В таких флюсах основное активное вещество растворяется в составе, который состоит из различных химических веществ: спирт, вазелин (технический), золотосодержащие вещества. Такие флюсы выпускаются только в промышленных условиях и являются довольно популярными, так как влияют на качество шва. Шов после пайки трубы с использованием такого флюса получается очень ровным.

Полезная информация! Такой состав можно изготовить собственноручно в домашних условиях. За основу можно взять таблетки ацетилсалициловой кислоты (аспирина) и смешать с техническим вазелином и спиртом. Однако такой флюс будет обладать очень маленькой термостойкостью и скорее подойдёт для пайки различного электрического оборудования.

Классическая канифоль. При сборке трубопроводной коммуникации канифоль не используют в чистом виде. Чаще всего к ней подмешивают натриевую соль, и в результате получается вещество, которое обладает отличными защитными и антикоррозийными характеристиками для работ с трубопроводами.

Канифоль обволакивает шов защитной плёнкой, а соли натрия препятствуют окислительным процессам. Такой состав отличается дешевизной и является наиболее популярными на сегодняшний день. Однако у такого флюса есть и недостаток — при перегреве он может обуглиться.

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:

https://www.youtube.com/watch?v=C47VJQkiQQI

— 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.

Рис. 4. Получение порошка припоя газовым распылением

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. 5. Степень окисления частиц припоя в зависимости от их размера

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.

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.

Способы соединения медных труб

Самый удобный способ соединения медных труб — с помощью фитингов, которых выпускается множество. При всем обилии видов этих деталей, основных форм, используемых чаще всего, всего три: тройники (обеспечивают ответвления от трубы), углы (изменяют направление трубопровода на 90°) и муфты (соединяют две трубы).

Медные фитинги под пайку

При желании можно обойтись вообще без фитингов или, во всяком случае, их минимальным количеством. Правда, для этого нужно иметь специальный недешевый инструмент, позволяющий выполнять с трубами определенные операции, — а именно, гибку, расширение и отбортовку.

Используя гибку, можно обойтись без фитингов-углов. Расширение (увеличение диаметра конца трубы) позволяет обойтись при пайке труб без муфт. Применяя отбортовку, можно отказаться от приобретения тройников (или углов, если обрезать трубу и установить на ее конец заглушку).

Необходимо только иметь в виду, что при использовании отбортовки отводная труба должна быть меньшего диаметра, чем магистральная. Чтобы выполнять все эти операции с трубами, необходимо иметь ручные или электрические приспособления: трубогиб, отбортовщик и расширитель.

Ручной трубогиб
Ручной трубогиб
Пружины для гибки медных труб

Чрезмерно малый радиус может привести к разрыву или сплющиванию трубы. Отожженные трубы можно гнуть с меньшим радиусом, но крутой сгиб (менее 3d), с точки зрения потока, неблагоприятен. Отожженные трубы можно также осторожно гнуть руками. В этом случаи, во избежание сплющивания, радиус изгиба должен быть не менее чем 8d.

Плохо выполненные сгибы, при которых труба сплющилась и поперечное сечение потеряло круглую форму или внутренняя поверхность сгиба собралась гармошкой, вызывают турбулентные потоки в сгибе трубы, что приводит к эрозийно-коррозийным повреждениям.

Неотожженную (твердую) трубу, до диаметра 18 мм, можно сгибать в холодном состоянии трубогибом. Трубы большего диаметра перед сгибанием следует смягчать при температуре 500-600°С.

Работа расширителя (экспандера) основана на раздвигании в радиальном направлении сегментов кулачкового механизма, вставленного внутрь трубы. Расширяемая медная труба должна быть отожженной (мягкой). Благодаря системе рычагов, при нажатии на рукоятки инструмента создается необходимое усилие, требующееся для пластической деформации металла.

Все очень просто — вставил кулачковый наконечник в трубу, сжал рукоятки и получил раструб, в который можно вставлять трубу такого же диаметра. Из отрезка трубы можно сделать муфту, расширив оба конца заготовки. При необходимости конец неотожженной (твердой) трубы можно отжечь самостоятельно.

Экспандер для расширения труб

Операция отбортовки несколько сложнее операции расширения. Она состоит из двух этапов: сверления отверстия специальным калибровочным сверлом и непосредственно самой отбортовки. После того как отверстие будет просверлено, необходимо вставить в него оправку с раздвижными, смазанными консистентной смазкой усиками, и закрепить на ней наружную часть устройства, служащую упором при вытяжке.

Отбортовка труб

Теперь в трубу можно вставлять отвод, представляющий собой отрезок трубы меньшего диаметра. Чтобы он не выступал изнутри слишком сильно и не препятствовал движению воды, на его стенках с помощью специального инструмента формируют два выступа. Последние упираются в раструб, обеспечивая погружение отвода в отверстие на строго определенную глубину.

Описанный способ отбортовки предполагает использование электроинструмента, но есть и ручные модели.

Ручной отбортовщик

Флюсы для газовой сварки меди

Основная роль флюсов при газовой сварке меди — это химическая очистка свариваемых кромок от оксидных плёнок, образующихся на их поверхностях. Происходит это путём растворения этих плёнок и включения их в шлак, вместе с остальными примесями.

Как правило, флюсы для газовой сварки меди являются кислыми. В их составе содержатся, в большом количестве, окислы бора. Эти флюсы обладают высокой жидкотекучестью и химической активностью.

Основным компонентом таких флюсов являются бура Na2B4O7 и борная кислота H3BO3. В некоторых случаях, в основном, при малой толщине свариваемого металла, в качестве флюса применяется одна бура.

Для сварки медных листов малой толщины рекомендуются флюсы №1 и 2. Флюс под №6 может применятся при любых толщинах свариваемого металла. Для сварки медных листов большой толщины применяют флюс №7, при этом, заменяя в его составе карбонат калия K2CO3 на карбонат натрия Na2CO3.

Флюс под №3 показывает хорошие результаты при сварке меди всех марок, с использованием присадочной проволоки и без последующей проковки сварного соединения. Все флюсы изготавливаются в виде порошков, или пасты, которые могут быть растворены в воде, либо в спирте.

Необходимо учитывать следующие особенности меди ее сплавов, влияющие на технологию сварки.

1. В связи с высокой температурой и теплопроводностью, затрудняющими локальный разогрев, требуются более концентрированные источники нагрева и повышенные режимы сварки. Однако в связи со склонностью меди к росту зерна при сварке многослойных швов металл каждою прохода дли измельчения зерна проковывают при температурах 550—800° С.

2. Легкая окисляемость меди при высоких температурах приводит к засорению металла шва тугоплавкими окислами. Закись меди растворима в жидком металле и ограниченно — в твердом. С медью закись образует легкоплавкую эвтектику Си—Сu20 (температура плавления 1064 0С), которая сосредоточивается по границам зерен и снижает пластичность меди, что может привести к образованию горячих трещин.

3. Наличие некоторых примесей может способствовать склонности сварных соединений к образованию трещин. Так, например, висмут, образующий ряд окислов дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 270 0С, а свинец, образуя окислы дает легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 326 0С.

По указанной причине должно быть резко ограничено содержание этих примесей (Bi< 0,002%; Pb< 0,005%), либо они должны быть связаны в тугоплавкие соединения введением в сварочную ванну таких элементов, как церий, цирконий, играющих одновременно роль модификаторов.

При сварке алюминиевых бронз легко образуется тугоплавкий окисел засоряющий сварочную ванну, ухудшающий сплавление металла и свойства сварного соединении. Для его разрушения применяют флюсы, состоящие из фторидов и хлоридов, щелочных и других металлов.

4. При сварке латуней возможно испарение цинка (температура кипении 907 0С, т. е. ниже температуры плавления меди). Образующийся окисел цинка ядовит, поэтому при сварке требуется хорошая вентиляции. Испарение цинка может привести к пористости металла шва.

Высокий коэффициент линейного расширения (в 1,5 раза больше, чем у стали) может вызвать при сварке повышенные температурные и остаточные сварочные напряжения и деформации. Сочетание высоких температурных напряжений со снижением механических свойств может способствовать образованию трещин.

5. Медь в расплавленном состоянии поглощает значительные количества водорода. При кристаллизации металла сварочной ванны с большой скоростью ввиду высокой теплопроводности меди и резким уменьшением растворимости водорода в металле атомарный водород не успевает покинуть металл за счет десорбции. Закись меди восстанавливается водородом с образованием паров воды:

Сu 2 O 2Н = 2Сu Н 20,

что приводит к образованию в шве пор и трещин.

6. Повышеннаяжидкотекучесть расплавленной меди и ее сплавов (особенно бронзы) затрудняет сварку в вертикальном и потолочном положениях, поэтому чаще всего сварку ведут в нижнем положении. Для формирования корня шва без дефектов необходимы подкладки.

Для меди и сплавов на ее основе могут быть использованы все основные способы сварки плавлением.

Медь находит широкое применение при изготовлении изделий различного назначения: сосудов, трубопроводов, электрораспределительных устройств, химической аппара- туры и т. д. Многообразие использования меди связано с ее особыми физическими свойствами. Медь обладает вы­сокой электропроводностью и теплопроводностью, устой­чива в отношении коррозии.

Плотность меди 8,93 Н/см3, температура плавления 1083°С, температура кипения 2360°С. Трудности сварки меди обусловлены ее физико-химическими свойствами4. Медь склонна к окислению с об­разованием тугоплавких оксидов, поглощению газов рас­плавленным металлом, обладает высокой теплопровод­ностью, значительной величиной коэффициента линейного расширения при нагревании.

Склонность к окислению вызывает необходимость при­менения при сварке специальных флюсов, защищающих расплавленный металл от окисления ,и растворяющих об­разующиеся оксиды, переводя их в шлаки. Высокая тепло­проводность требует применения более мощного пламени, чем при сварке стали.

Свариваемость Си зависит от ее чи­стоты, особенно ухудшают свариваемость Си наличие в ней В1, РЪ, 3 и Оз. Содержание рг в зависимости от марки Си колеблется от 0,02 до 0,15%, Ш и РЬ придают меди хруп­кость и красноломкость.. Наличие в Си кислорода в виде оксида меди Си20 вызывает образование хрупких прослоек металла и трещин, которые появляются в зоне термическо­го влияния.

Оксид меди образует с медью легкоплавкую эвтектику, которая обладает более низкой температурой плавления. Эвтектики располагается вокруг зерен меди и таким образом ослабляет связь между зернами. На процесс сварки Си оказывает влияние не только кислород, раство­ренный в меди, но и кислород, поглощаемый из атмосферы.

Водород и оксид углерода также отрицательно влияют на процесс сварки Си. В результате их взаимодействия с ок­сидом меди СиаО образуются пары воды и углекислый газ, которые образуют поры в металле шва.