Дозирование припоя при автоматизированном монтаже кристаллов полупроводниковых приборов

Температурное условие пайки

При
пайке должно выполняться температурное
условие

Температура
начала плавления материала деталиt1
= t2
t1Превышение
температурыплавления
паяемого металланад
температурой пайкидля
сохранения формыизделия

t1{amp}gt;
20ОСТемпература
пайкиt2
= t3
t2
t3Перегрев
припоя, обеспечивающий смачивание
 t2
= 20…

50ОСТемпература
полногорасплавления
припояИнтервал
кристаллизацииприпоя

t3Температура
началаплавления
припояt3
= t4
t4Температурный
запасработоспособности
припоя
 t4Температура
эксплуатациипаяного
соединенияt4t1
{amp}gt; t2
{amp}gt; t3
{amp}gt; t4
.

Поднятие припоя в капиллярном зазоре

На рис. 4 показано
поднятие припоя в капиллярном зазоре
между параллельными пластинами паяемого
материала. Атомы припоя граничащие с
пластинами притягиваются к расположенным
выше атомам пая­емого материала и
вскарабкиваются по пластине наверх.
Они тянут за собой за счет межатомных
сил основную массу припоя. В результате
припой поднимается вверх до тех пор,
пока силы поверхностного натяжения не
уравновесят силу тяжести припоя в
зазоре.

Поверхностные силы
пропорциональны площади поверхности
пластин [мм2],
а сила тяжести пропорциональна объему
зазора [мм3].
Поэтому при увеличении ширины зазора
более 0,5 мм высота поднятия припоя резко
снижается и зазор перестает быть
капиллярным.

Атомы припоя
диффундируют (проникают) в пограничный
слой паяемого металла. Слой толщиной в
несколько атомов, настолько насыщается
атомами припоя, что превращается в сплав
припоя с паяемым металлом. Как известно,
сплавы металлов плавятся при температурах
ниже температуры плавления компонентов.

Поэтому происходит
расплавление переродившегося слоя.
Такое плавление паяемого металла при
температуре ниже температуры его
автономного плавления называют
контактным.

Под автономным
плавлением понимают плавление материала
не контактирующего ни с какими посторонними
уже расплавленными материалами.

Контактное плавление
паяемого металла происходит в контакте
с расплавленным припоем и только на
границе паяемого металла с припоем.

Рис. 4. Поднятие припоя в капиллярном
зазоре

между параллельными
пластинами.

Основным компонентом при пайке электрическим паяльником является оловянно-свинцовый припой. Он выпускается в виде проволоки или трубки разных диаметров. Трубчатый припой внутри заполняется канифолью. Такой припой очень удобен при работе, так как не требует дополнительного брать на жало паяльника флюс.

Припой представляет собой сплав легкоплавких металлов. Как правило, в состав припоя входит олово. Можно паять и чистым оловом, но оно дорогое и поэтому в олово добавляют дешевый свинец. Олово является экологически чистым металлом и его можно применять в качестве припоя для пайки в чистом виде пищевой посуды и медицинских инструментов. Если согнуть или сжать трубочку из чистого олова, то она хрустит. Чем больше в составе припоя свинца, тем темнее поверхность припоя.

Припои маркируются буквами и цифрами. Например ПОС-61, что обозначает П – припой, О – оловянный, С – свинцовый, 61 – % содержания олова. ПОС-61 является самым распространенным, так как подходит для пайки в большинстве случаев. В народе ПОС-61 часто называют третник , так как в его составе третья часть свинца (Pb).

Припои бывают мягкие и твердые. Температура плавления мягких припоев ниже 450˚С. Твердые припои плавятся при нагреве свыше 450˚С и для пайки электрическим паяльником не используются.

Удельное электрическое сопротивление оловянно-свинцового припоя (проводимость) составляет 0,1-0,2 Ом/метр, алюминия 0,0271, а меди 0,0175. Как видите, припой проводит ток в десять раз хуже, чем медь или алюминий.

Наиболее распространенным припоем является ПОС-61, его еще называют третник. Он отлично подходит для пайки и лужения токоведущих частей из меди, латуни и бронзы с герметичным швом и не дорогой. Подходит практически для всех случаев пайки в быту.

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.

Изготовление радиатора пайкой

Охлаждающая
поверхность радиатора (рис. 7) состоит
из латунных трубок, по которым течет
охлаждающая жидкость, и гофрированной
медной ленты толщиной 0,1 мм. В каждой
точке соприкосновения должно сформироваться
паяное соединение. Таким образом нужно
получить несколько тысяч соединений в
одном изделии при очень маленькой
толщине соединяемых элементов.

Для
этого собранный из луженых латунных
трубок и гофрированной ленты пакет
направляют в печь, имеющую три камеры
с разными температурами. Камеры отделены
друг от друга шлюзами. Первая камера
служит для предварительного подогрева
пакета до температуры пайки. Внутри
второй камеры находится ванна с
расплавленным флюсом, в которую опускают
собранный пакет.

Рис. 7. Фрагмент паяного радиатора.

Пайка приборов электрооборудования

Для пайки печатных
плат используют установки каскадной
многоволновой пайки (рис. 8).

В печи образуется
ванна расплавленного свинцово-оловянистого
припоя. Насос непрерывно направляет
поток припоя по наклонному поддону,
напоминающему стиральную доску, так
что припой образует серию гребней. Плата
с деталями соприкасается с верхушками
гребней, двигаясь навстречу припою.

Флюс плавает на
поверхности припоя и предотвращает его
взаимодействие с воздухом.

Оксидная пленка

Поверхности, которые
будут подвергнуты пайке, должны быть
обработаны с оптимальной точностью и
шероховатостью и не иметь заусенцев
после механической обработки

Поверхность паяемого
металла может быть загрязнена маслами,
смазочно-охлаждающей жидкостью, смазками,
красками, пылью, грязью. Слои таких
загрязнений мешают удалению оксидной
пленки и образованию качественного
паяного соединения.

Чтобы удалить такие
загрязнения, деталь перед пайкой следует
помыть в щелочном растворе следующего
состава (в граммах на литр воды):

• едкий натр (5…10
  г/л);

• углекислый натрий
  (15…30 г/л);

• тринатрийфосфат
  (30…60 г/л);

• эмульгатор ОП-7 (0,5
  г/л).

В растворе такого
состава при температуре 50…60°С
детали выдерживают 15…25 минут.

Если этого недостаточно,
то для обезжиривания используют
органические растворители (например,
ацетон).

После очистки детали
промывают в чистой (дистиллированной)
горячей и холодной воде и сушат.

После пайки с
деталей смывают остатки коррозионно-активных
флюсов в жидкостях, которые их растворяют.
Затем детали промывают в горячей и
холодной воде и сушат.

Рис. 8. Каскадная многоволновая пайка
печатной платы.

Время образования
одного слоя молекул оксида на поверхности
незащищенного металла около 10-8
секунд. Поэтому на поверхности металла
всегда имеется слой оксидной пленки.

За счет диффузии
кислорода из атмосферы и окисления
металла под оксидной пленкой она растет
вглубь металла. С течением времени
толщина оксидной пленки может достичь
50 и более молекулярных слоев (5…200нм).

В оксидной пленке
связи паяемого металла заняты кислородом.
Для образования связей между паяемым
металлом и расплавленным припоем следует
удалить мешающую этому процессу оксидную
пленку или кислород из нее. Оксидную
пленку целиком удалить легче.

Флюсы могут содержать
вещества, которые:

• вступают в химическое
  взаимодействие с оксидной пленкой,
  образуя шлаки, легко растворимые во
  флюсе;

• проникают через
  микротрещины в оксидной пленке к
  поверхности металла под ней и стремятся
  отделить ее от металла;

• делают флюс
  электролитом при его расплавлении, что
  вызывает электрохимическое растворение
  металла во флюсе под оксидной пленкой.

Если пленка оксидов
тонкая и нестойкая, как на меди, то
достаточно химического взаимодействия
канифоли с оксидом меди. Продукты реакции
растворяются в канифоли.

Микротрещины (рис.
5а) формируются в оксидной пленке при
нагреве до температуры пайки, вследствие,
разницы коэффициентов линейного
температурного расширения паяемого
металла и оксидной пленки на его
поверхности. Кроме того они расширяются
в результате химического взаимодействия
флюса с оксидами, образующими стенки
трещины.

Расплавленный флюс, а затем и
припой проникают через микротрещины и
входят в контакт с металлом под оксидной
пленкой в местах нарушения ее сплошности
(рис. 5б). Жидкий припой или легкоплавкий
металл, вытесненный из флюса, вызывает
контактное подплавление верхнего слоя
паяемого металла. Образуется очень
тонкий слой жидкого сплава между оксидной
пленкой и поверхностью паяемого металла
(фактически будущий спай) (рис. 5в). Под
подмытую оксидную пленку устремляется
основная часть припоя, окончательно
удаляя оксидную пленку.

Флюсы, содержащие
такие элементы как хлор и фтор в
расплавленном состоянии являются
электролитами. При соприкосновении
металла с флюсом-электролитом происходит
электрохимическое растворение металла,
то есть переход положительных ионов
металла в электролит. Флюс разъедает
границу между оксидной пленкой и
металлом.

Рис. 5. Удаление оксидной пленки флюсом.

Растворители и пасты

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.

В табл. 1 представлены
флюсы для пайки сталей, меди и медных
сплавов, а также алюминия и его сплавов.
Спирт и вода являются растворителями
и делают флюс жидким. Жидкий флюс удобно
наносить на паяемый материал. Например,
обмакивать многожильный медный провод
во флюс. Вазелин делает флюс пастообразным.

Таблица 1

Флюсы

Несмачивание

На рис. 3а показана
капля расплавленного припоя (флюса),
который хорошо растекается по паяемому
материалу и смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом должен быть Q {amp}lt;
90°.
Чем ближе к нулю величина краевого угла
смачивания Q → 0 и больше площадь
растекания расплавленного припоя, тем
полнее смачивание.

На рис. 3б показана
капля расплавленного припоя, который
плохо растекается по паяемому материалу
и не смачивает его. Краевой угол
смачивания при этом Q {amp}gt; 90°.
Это означает, что атомы припоя не вступают
в связь с атомами паяемого материала.
Причины этого могут быть различны.
Во-первых, данные припой и паяемый
материал могут вообще не образовывать
соединений.

Тогда пайка невозможна.
Следует взять припой, совместимый с
паяемым материалом. Во-вторых, может
быть плохо подготовлена поверхность
паяемого материала — не удалена или
только частично удалена оксидная пленка
из-за неправильного подбора флюса.
В-третьих, температура пайки может быть
недостаточна для обеспечения хорошей
растекаемости припоя.

Рис. 3. Растекание расплавленного припоя
по

поверхности паяемого металла.

Флюсовая и бесфлюсовая пайка

Пайку с использованием
флюса называют флюсовой. Функции флюса
могут выполнять также:

• инертная газовая
  среда;

• активная газовая
  среда;

• вакуум.

При удалении оксидной
пленки абразивными частицами (абразивная
пайка) или с помощью механических
колебаний ультразвуковой частоты
(ультразвуковая пайка) флюс тоже не
используют.

Поэтому абразивную
и ультразвуковую пайку, а также пайку
в газовых средах и вакууме называют
бесфлюсовой.

Классификация флюсов

Флюсы для пайки
классифицируют по следующим признакам:

• температурному
  интервалу пайки на высокотемпературные
  (выше 450°С)
  и низкотемпературные (ниже 450°С);

• природе растворителя
  на водные и неводные (например, спиртовые);

• природе активатора
  на неорганические, органические
  кислотные и органические бескислотные;

• агрегатному состоянию
  на твердые, пастообразные и жидкие.

Канифоль

Рассмотрим наиболее
известный флюс — канифоль, который
используют для низкотемпературной
пайки меди паяльником. Канифоль получают
из сосновой смолы. Она твердая и
стекловидная. Главной составной частью
канифоли является абиетиновая кислота
С20Н30О2
(около 80% по массе), плавящаяся при
температуре 173°С.

Канифоль, очень слабый активатор.
Расплавленная канифоль может удалить
только тонкий слой оксида меди. Канифоль
реагирует с оксидами меди, давая
абиетиновую соль меди, которая растворяется
в канифоли, превращая канифоль в шлак.
Остатки канифоли после пайки имеют вид
твердой прозрачной пленки с отличными
изолирующими свойствами.

При температуре
200°С
канифоль активна. С повышением температуры
она начинает испаряться. При температуре
300°С
испаряется 7% канифоли. При нагреве выше
300°С
канифоль обугливается. Таким образом
температурный интервал активности
канифоли находится в области 200…300°С.
В табл. 1 приведены температурные
интервалы активности флюсов.