Какой припой лучше использовать для пайки микросхем

Технологии в электронной промышленности №2’2005

В нашей стране для ручной пайки традиционно применяют жидкий флюс и проволочный припой, однако при отсутствии отмывки остатков флюса эта технология приводит к существенному снижению надежности радиоэлектронной аппаратуры. Причины снижения надежности РЭА вызваны частичной термической обработкой флюсов при ручной пайке (только в зоне формирования паяного соединения), следовательно, только частичным выгоранием активаторов и локальными процессами поликонденсации.

Остатки флюса, которые не были подвергнуты термической
обработке при температурах пайки, являются потенциальными источниками коррозии, электромиграции и повышенных токов утечки в процессе эксплуатации РЭА. Применение многоканальных трубчатых припоев, не требующих отмывки, позволяет полностью решить эту проблему.

Многоканальные трубчатые припои фирмы Multicore Solders

Многоканальные трубчатые припои фирмы Multicore Solders на протяжении многих лет преобладают на российском рынке. Даже название фирмы Multicore Solders («Многоканальные припои»), основанной в 1939 году, говорит о многом. Одним из основных преимуществ трубчатых припоев Multicore Solders является большое количество каналов флюса (до 5) в прутке припоя.

Трубчатые припои Multicore Solders разработаны для различных применений, в том числе для пайки печатных плат радиоэлектронной аппаратуры и конструкционных изделий.

Виды и характеристики припоев

Бывают мягкими (легкоплавкими) и твердыми. Для монтажа радиоаппаратуры используются легкоплавкие, с температурой плавления 300−450 °C. Мягкие припои уступают по прочности твердым, хотя для сборки электроприборов используются как раз они.

Легкоплавкие сплавы — это обычно сплав свинца и олова главным образом. Немного есть легирующих элементов.

Примеси иных металлов вводятся для получения определенных характеристик:

• пластичности;
• температуры плавления;
• прочности;
• устойчивости к коррозии.

Число в обозначении марки говорит о том, сколько процентов олова в нем содержится. Так, у припоя ПОС-40 технические характеристики таковы, что в нем 40% Sn, а ПОС-60 — 60%.

Если марка неизвестна, состав можно оценить по косвенным признакам:

• Температура плавления ПОС — 183−265 °C .
• Если у припоя металлический блеск, значит, в нем достаточно много Sn (ПОС-61, ПОС-90). Если цвет темно-серый, а поверхность матовая, это говорит о высоком содержании свинца, именно он придает сероватый оттенок.
• Припои, содержащие большое количество свинца очень пластичны, а олово придает прочности и жесткости.

Состав припоя

Для изготовления трубчатых припоев фирмой Multicore Solders используются только высокочистые сплавы с минимальным количеством примесей, отвечающие требованиям всех основных национальных и международных стандартов, в том числе QQ-S-571E и J-STD-006A. Возможна поставка припоев с различными типами сплавов.

Традиционные сплавы

Традиционно в нашей стране применяются оло-вянно-свинцовые эвтектические припои или близкие к ним (табл. 1).

Таблица 1

Для пайки компонентов поверхностного монтажа рекомендуется применять трубчатые припои диаметром в пределах 0,46-1,0 мм. Специально для пайки миниатюрных чип-компонентов поставляются трубчатые припои на основе сплава Sn62/Pb36/Ag2 диаметром 0,46 и 0,56 мм. Серебро добавляют для предотвращения миграции серебра, используемого при производстве чип-компонентов, в припой и для повышения прочности паяного соединения. Для других применений рекомендуются
сплавы Sn60/Pb30 (аналог ПОС-61) и Sn63/Pb37.

Бессвинцовые сплавы

Бессвинцовые сплавы — требование времени — широко используются при производстве трубчатых припоев (табл. 2).

Таблица 2

Бессвинцовый сплав 99С по основным характеристикам является аналогом традиционного сплава Sn60, что позволяет полностью заменить его без значительных изменений технологического процесса.

Специальный сплав для пайки по алюминию

Фирма Multicore Solders производит трубчатые припои для конструкционной пайки и изготовления ламп (тип сплава 45D — состав: Pb80,l/Snl8/Agl,9, температура плавления 178-270 °С).

Этот сплав обладает более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с традиционными оловянно-цинковыми припоями.

В большинстве трубчатых припоев Multicore Solders применяются флюсы на основе химически очищенной канифоли. Такие флюсы обладают малым количеством остатков по сравнению с обычной канифолью, а также более высокой активностью. Удаление остатков флюсов Х39, Crystal 400 и Crystal 502 после пайки является необязательным, так как остатки флюса обладают устойчивостью к воздействию повышенной влажности и температуры в процессе эксплуатации.

При выборе типа флюса следует учитывать совместимость флюса, входящего в состав трубчатого припоя, с флюсами для групповой пайки и в составе паяльных паст, взаимная реакция флюсов разных производителей может приводить к ухудшению электрических параметров изделия или усложнению процесса отмывки. Флюсы Х39, Crystal 400 и Crystal 502 полностью совместимы с паяльными пастами RM92, CR32, CR36, МР200, LF318 и LF320, а также со всеми типами флюсов для групповой пайки, не требующих отмывки, фирмы Multicore Solders.
Совместимость флюсов подтверждена лабораторными исследованиями.

Классическим составом припоя с канифолью является обыкновенный мягкий оловянно-свинцовый. Содержание свинца в нем составляет 40%, а олова – 60%. К таким припоям можно отнести ПОС 60 или близкую к нему марку ПОС 61.

Благодаря этому он приобретает особые физические свойства. Припой с канифолью и без с таким составом обладает особой гибкостью, что помогает подобрать нужное положение перед спаиванием. Данный состав характеризуется относительно низкой температурой плавления, что не позволяет применять припой для пайки тугоплавких металлов.

Относительно низкая температура плавления обеспечивает легкость использования. Наличие свинца добавляет текучести материалу. При использовании лучше делать все в хорошо проветриваемом помещении, так как свинец дает вредные для здоровья человека испарения.

Среди всех марок есть те разновидности. Которые применяются чаще всего. Их технические характеристики обеспечивают удобство использования и делают практически универсальными для большинства процедур.

Особенности выбора

Выбирая что лучше, припой с канифолью или без, в первую очередь стоит ориентироваться на удобство выполнения пайки. Если вам предстоят стандартные процедуры, режимы которых вполне известны, то можно выбирать припой с содержанием канифоли любой подходящей марки. Чаще всего выбор падает на материалы серии ПОС, в которых основными компонентами становятся серебро и олово. Это позволяет достичь мягкости и высокой смачиваемости за счет меньшей крепости соединения.

Чем выше температура плавления основного металла, тем выше должна быть температура плавления припоя. Это основной показатель, по которому ориентируются специалисты. Помимо состава марки нужно определиться еще с толщиной проволоки. Здесь уже легче, так как все зависит от толщины самого изделия. При работе с паяльником всегда можно наплавить каплю нужного размера из проволоки любой толщины, так что здесь не будет особой разницы.

Припой ПОС-61 0,8 мм

Определившись, какой припой лучше, с канифолью или без, а также подобрав соответствующую марку, можно приступать непосредственно к пайке. Как и при работе с простым припоем, первым делом идет подготовка поверхности основного металла, его требуется очистить.

После подготовки нужно разогреть его поверхность до нужной температуры и начать использоваться припой. Это требуется, чтобы не было большого контраста между температурами расплавленного припоя и основного металла, так что перегревать сильно также не стоит. После того как расплавленный припой разольется по поверхности, ему нужно дать остыть.

Использование сплавов оловянно-свинцовой группы

К таким сплавам относятся следующие:

• ПОС-90 содержит в составе: Pb — 10%, Sn — 90%. Используется для ремонта медицинского оборудования и пищевой посуды. Токсичного свинца немного, так как нельзя, чтобы он соприкасался с пищей и водой.
• ПОС-40: Pb — 60%, Sn — 40%. Главным образом используется для пайки электроаппаратуры и изделий из оцинкованного железа, также с его помощью чинят радиаторы, латунные и медные трубопроводы.
• ПОС-30: Sn — 30%, Pb — 70%. Применяется в кабельной промышленности, для пайки и лужения и листового цинка.
• ПОС-61: Pb 39%, Sn 61%. Как с ПОС-60. Нет особой разницы.

С помощью ПОС-61 осуществляется лужение и пайке печатных плат радиоаппаратуры. Это — главный материал для сборки электроники. Плавиться начинает с 183 °C, полное расплавление при 190 °C. Паять с этим припоем можно при помощи обыкновенного паяльника, не боясь того, что радиоэлементы перегреются.

ПОС-30, ПОС-40, ПОС-90 расплавляются при 220−265 °C. Для многих радиоэлектронных элементов эта температура предкритическая. Сборку самодельных электронных устройств осуществлять лучше с ПОС-61, чьим зарубежным аналогом можно считать Sn63Pb37 (где Sn 63%, а Pb 37%). Также с его помощью паяется радиоаппаратура и самодельная электроника.

Припои продаются, как правило, в тюбиках или катушках по 10−100 г. Состав сплава можно прочесть на упаковке, к примеру: Alloy 60/40 («Сплав 60/40» — ПОС-60). Выглядит, как проволока диаметром 0,25−3 мм.

Нередко в его составе находится флюс (FLUX), заполняющий сердцевину проволоки. Содержание указывается в процентах и составляет 1−3,5%. Благодаря этому форм-фактору во время работы отсутствует необходимость подавать флюс отдельно.

Разновидность ПОС — ПОССу представляет собой оловянно-свинцовый сплав c сурьмой, и используется в автомобилестроении, в холодильном оборудовании, для пайки элементов электроаппаратуры, обмоток электромашин, кабельных изделий и моточных деталей; подходит для спаивания оцинкованных деталей. Кроме свинца и олова в сплаве 0,5−2% сурьмы.

Как показывает таблица, ПОССу-61−0,5 больше всего подходит для замены ПОС-61, ведь температура его полного расплавления — 189 °C. Существует также припой совершенно не содержащий свинца, оловянно-сурьмянистый ПОСу 95−5 (Sb 5%, Sn 95%) с температурой плавления 234−240 °C .

Рекомендации по применению

Подготовка к работе

Паяльник. Жало паяльника может быть любой формы и размера для наилучшего контакта и передачи тепла к паяемым поверхностям. Жало паяльника должно быть облужено, для этого может быть использован трубчатый припой. Однако процесс лужения зависит в значительной степени от состояния жала. Если жало в плохом состоянии, его необходимо предварительно очистить с помощью смоченной водой специальной губки, входящей в состав паяльной станции. Для очистки сильно окисленных жал паяльников можно использовать пасту
ТТС-1 для очистки и лужения наконечников.

Рис. 2

Температура жала паяльника. Оптимальная температура жала и требуемая мощность при ручной пайке зависят от конструкции паяльника и выполняемой задачи. При работе с бессвинцовыми трубчатыми припоями, имеющими температуру плавления в пределах 217-227 °С, минимальная температура жала паяльника должна составлять 300 °С В процессе пайки необходимо избегать избыточно высокой температуры жала и чрезмерного времени пайки.

Низкотемпературные припои

Есть припои, предназначенные специально для пайки деталей с большой чувствительностью к перегреву. Наиболее «высокотемпературный» среди низкотемпературных — это ПОСК-50−18 с температурой плавления 142−145 °C. В ПОСК-50−18 содержится 8% кадмия, 50% олова и 32% свинца. Кадмий усиливает устойчивость к коррозии, однако наряду с тем придает токсичности.

По убыванию температуры следует РОЗЕ (Sn 25%, Pb 25%, Bi 50%), маркирующийся ПОСВ-50. Т пл. — 90−94 °C. Предназначен для пайки латуни и меди. Олова в составе этого сплава 25%, свинца — 25%, висмута — 50%. Соотношение металлов в процентах может несколько разниться, а количество их, как правило, указывается на упаковке в графе «Состав».

Применяется в плавких защитных предохранителях в радиоаппаратуре.

Еще более низкотемпературный сплав ВУДА (Sn 10%, Cd 10%, Pb 40%, Bi 40%). Т плавления — 65−72 °C. Поскольку в сплаве содержится 10% кадмия, он токсичен, в отличие от РОЗЕ.

И РОЗЕ, и ВУДА — это довольно дорогие припои.

Печатные платы и компоненты. Чистота поверхности печатных плат и компонентов

является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс пайки. Оксиды и другие поверхностные загрязнения существенно ухудшают смачиваемость припоем и передачу тепла от жала паяльника к паяемым поверхностям, увеличивая время пайки. Печатные платы с длительным сроком хранения для улучшения паяемости могут быть подвергнуты предварительной очистке с помощью специальных растворителей, например, VIGON SC 200, ZESTRON SD 100, ZESTRON SD 301.

Рекомендуемая последовательность работы

1. Поднесите жало паяльника к рабочей поверхности. Жало паяльника должно контактировать одновременно с контактной площадкой платы и выводом компонента, для того чтобы прогреть обе паяемые поверхности. Избыток припоя на жале, нанесенного во время лужения, будет помогать процессу теплопередачи путем увеличения площади контакта между контактной площадкой и выводом. Необходимо не более доли секунды, чтобы прогреть соответствующим образом обе поверхности.

2. Поднесенный в это время к месту соединения с противоположной от жала паяльника стороны пруток трубчатого припоя позволит образовать галтель припоя. Для этого необходимо около 0,5 секунды. Внимание! Если припой подавать непосредственно на жало паяльника, активные компоненты флюса будут преждевременно выгорать, а его эффективность резко уменьшается.

3. Удалите припой от паяемого соединения и затем удалите жало паяльника.

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

Завершение работы Для обеспечения длительного срока службы жала паяльника после окончания работы необходимо его облудить. Для этой цели
удобно использовать трубчатый припой: оберните несколько витков припоя (как показано на рис. 5) вокруг кончика жала и нагрейте его. Практические примеры На первоначальном этапе работа с трубчатыми припоями (пайка с двух рук) может вызывать сложности.
Как правильно работать с трубчатыми припоями? Нижеприведенные примеры помогут быстро освоить технологию пайки с двух рук.

Пайка чип-компонентов: резисторы, конденсаторы, танталовые конденсаторы, индуктивности, варисторы, MELF-Kopnyca.

1. Облудить одну из контактных площадок (далее КП). Необходимо подать достаточное количество припоя для последующего формирования галтели.

2. Установить чип-компонент на КП.

3. Придерживая чип-компонент пинцетом, поднести жало паяльника, обеспечивая одновременный контакт жала с выводом чип-компонента и облуженной КП.

4. Произвести пайку в течение 0,5-1,5 с. Отвести жало паяльника.

5. Произвести пайку второго вывода: поднести жало паяльника, обеспечивая одновременный контакт жала с выводом и КП. С противоположной стороны от жала паяльника подать трубчатый припой под углом 45° к плоскости КП и вывода компонента. Внимание! При пайке чип-компонентов важен правильный подбор диаметра припоя. Чрезмерно толстый припой будет приво-

дить к формированию избыточной галтели припоя.

Паяльные пасты (тиноль) для пайки

Паяльная паста (тиноль) представляет собой композицию из припоя и флюса. Паста не заменима при пайке паяльником в труднодоступных местах, и при монтаже бескорпусных радиодеталей. Паста наносится лопаткой в нужном количестве на место пайки и затем прогревается электрическим паяльником. Получается красивая и качественная пайка. Особенно удобно ее применение при отсутствии опыта работы с паяльником.

Пасту можно изготовить самостоятельно. Для этого нужно выбрать марку припоя, подходящего для пайки требуемого металла. Далее напильником с крупной насечкой напилить из прутка опилок. Затем в подобранный из таблицы жидкий флюс для пайки добавлять, перемешивая опилки до получения состава пастообразного состояния. Хранить пасту нужно в герметичной упаковке. Срок хранения пасты не более полгода, так как опилки припоя со временем окисляются.

Главным образом используется для пайки компонентов монтируемых поверхностно (SMD’шек), а также безвыводных микросхем в BGA корпусах.

Выглядит как кашица серого цвета, состоит из мельчайших шариков сплава Sn62Pb36Ag2 (серебра 2%, свинца 36%, олова 62%), также в составе содержится безотмывочный флюс. О том, что флюс безотмывочный, говорят две буквы на упаковке NC (No Clean). Флюс, содержащий шарики припоя, высыхает на воздухе, поэтому хранится паста в закрытой упаковке.

Используется это средство при сложном ремонте сотовых и для пайки микросхем в корпусе BGA. Ее применение предполагает использование дополнительного оборудования для ремонта мобильных, к примеру, специальные трафареты. Стоит паста довольно дорого, поскольку содержит серебро.

Сейчас в производстве электроники массово применяются припои без свинца.

Пайка компонентов, монтируемых в отверстия.

1. Установить компонент в монтажные отверстия, если необходимо, то загнуть выводы.

2. Поднести жало паяльника таким образом, чтобы был обеспечен одновременный контакт с КП монтажного отверстия и выводом компонента, прогреть 0,5-1,0 с.

Пробило № 1. Необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между жалом паяльника и паяемыми поверхностями. 3. Подать небольшое количество припоя на жало паяльника, так чтобы образовался мостик припоя между КП и выводом (см. рис.).

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

5. Как только паяное соединение сформировано, отвести пруток припоя.

6. Одновременно отвести жало паяльника. Для образования правильной формы галтели жало паяльника должно двигаться вверх вдоль вывода компонента.

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

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.

Возможные проблемы и методы решения Разбрызгивание. Высокая скорость нагрева. Подавайте пруток припоя на разогретые контактные поверхности (вывод компонента и КП), не подавайте припой на жало паяльника.

Матовые паяные соединения. Длительный контакт жала паяльника с паяным соединением после отвода прутка припоя из зоны пайки.

Остатки после пайки в виде нагара. Произвести очистку жала паяльника и губки или заменить жало паяльника.

Избыточные остатки флюса вокруг паяного соединения.

1. Большой диаметр трубчатого припоя, использовать припой меньшего диаметра.

2. Избыточная подача трубчатого припоя в место пайки.

3. Низкая температура пайки, использовать паяльник большей мощности или увеличить температуру пайки.

Флюс для пайки паяльником

Флюс это вспомогательное вещество, необходимое для освобождения поверхностей спаиваемых деталей от окислов и лучшему растеканию припоя по поверхности металла при пайке. Без применения флюса выполнить паяльником качественную пайку практически не возможно.

При приготовлении наиболее популярных флюсов для пайки электрическим паяльником, применяется канифоль. Ее получают из древесины деревьев хвойных пород, в основном сосны. При температуре около 50°С канифоль размягчается, а при 250°С начинает кипеть.

Канифоль не устойчива к воздействию атмосферной влаги – гидролизуется. Она состоит на 85-90% из абиетиновой кислоты. Если не удалить остатки канифоли после пайки то происходит окисление места пайки. Многие этого не знают и считают, что канифоль для металла безвредна. Кроме того, впитывая воду из атмосферы, канифоль увеличивает свою проводимость и может нарушать работу электронных устройств, особенно высоковольтных их цепей.

Флюс на основе спирта и растворителей требуется хранить в герметичной таре, иначе жидкость быстро испарится. Очень удобна для этих целей бутылочка от маникюрного лака. Всегда и кисточка под рукой, которой удобно наносить флюс на место пайки. Такую бутылочку практически в любом доме можно найти. Еще ее достоинство, кисточка и закрутка не растворяются спиртом и растворителем.

В бутылочке я и приготавливаю спирто-канифольный флюс. Сначала через воронку из бумаги насыпаю порошок канифоли и затем заливаю спиртом. Легко налить спирт в узкое горлышко бутылочки, если прикоснуться горлышком бутылки со спиртом к кисточке, предварительно смоченной в спирте. Лить нужно очень медленно и ни одной капли не прольете. Со временем спирт испаряется и флюс становится густым. Тогда нужно его разбавить спиртом до требуемой консистенции.

В качестве флюса я часто использую не документированный флюс аспирин (ацетил салициловая кислота), который применяют в качестве лекарства. С помощью его, можно без предварительной подготовки, залудить медные и стальные поверхности. На основе аспирина легко готовится и жидкий флюс для пайки паяльником, достаточно таблетку растворить в небольшом количестве спирта, ацетона или воды.

Многоканальные трубчатые припои фирмы Multicore Solders разработаны для технологических процессов без применения отмывки. Однако в случае необходимости удаления остатков флюса, например, вызванной жесткими условиями эксплуатации аппаратуры, наилучшие результаты достигаются при использовании промывочных жидкостей: ZESTRON FA , VIGON A200 или VIGON US. При ремонте рекомендуется использовать промывочную жидкость VIGON EFM.