2.2. Технологии создания электрических соединений пайкой

Среди методов выполнения монтажных соединений в РЭА пайка занимает доминирующее положение. В зависимости от типа производства она выполняется индивидуально с помощью нагретого паяльника или различными групповыми методами. Индивидуальная пайка эффективна при монтаже ПП в условиях единичного и мелкосерийного производства, для проводного монтажа, при запаивании элементов со штыревыми выводами на одной стороне ПП после выполнения пайки групповым способом на второй стороне, при макетных, ремонтных и регулировочных работах. К основным преимуществам групповой пайки относятся: строгое поддержание технологического режима, повышение производительности, увеличение надежности соединений, легкость автоматизации. Но с их применением повышаются требования к однородности и качеству подготовки поверхностей, возникает необходимость в разработке мер по предотвращению перегрева термочувствительных элементов и подбора конструктивно-технологических решений по устранению характерных дефектов (сосулек, перемычек, наплывов и др.), усложняется процесс отмывки более активного, чем при индивидуальной пайке, флюса, который наносится в больших количествах. Выбор метода пайки зависит от программы выпуска изделий, особенностей конструкции, требований к качеству.

Технологический процесс пайки состоит из следующих операций: 1) фиксации соединительных элементов с предварительно подготовленными к пайке поверхностями; 2) нанесение дозированного количества флюса и припоя; 3) нагрев деталей до заданной температуры и выдержка в течение ограниченного времени; 4) охлаждение соединения без перемещения паяемых поверхностей; 5) очистка соединений; 6) контроль качества. В современных автоматизированных групповых способах пайки первая и вторая операции меняются местами, т.е. сначала наносится припойный материал, а затем устанавливаются контактируемые компоненты.

2.2.1. Материалы, используемые в процессах пайки электронных узлов

На качество паяных соединений оказывают существенное влияние не только технологические условия проведения процесса пайки, но и правильный выбор материалов: флюсов, припоев, очистных жидкостей.

Припои

В качестве припоев используются различные цветные металлы и их сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Исходя из температуры плавления припои разделяются на низко-, средне- и высокотемпературные. Для пайки монтажных соединений РЭА применяют преимущественно низко- и среднетемпературные припои (Т_пл.450°С). Основными компонентами, низко- и среднетемпературных припоев являются олово и свинец, к которым для придания специальных свойств могут добавляться присадки сурьмы, серебра, висмута, кадмия. Так, серебро и сурьма повышают, а висмут и кадмий понижают температуру плавления и затвердевания припоя. Серебро задерживает снижение прочности при старении, уменьшает окисление олова. Сурьма также увеличивает прочность соединения, но делает его хрупким и ухудшает растекание по меди. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова, при этом одновременно увеличивается и его стоимость, так как свинец приблизительно в 20 раз дешевле олова. Наиболее распространенными припоями на сегодняшний день являются сплавы Sn62/Pb36/Ag2, Sn63/Pb36 и Sn61/Pb39.

Выбор марки припоя определяется назначением и конструкцией изделий, маркой основного металла и технологического покрытия, максимально допустимой температурой при пайке, а также технико-экономическими и технологическими требованиями, предъявляемыми к паяным соединениям. К техническим требованиям относятся достаточная механическая прочность и пластичность, заданные теплопроводность и электрические характеристики, коэффициент термического расширения (КТР), который должен быть близким к КТР паяемого металла, коррозионная стойкость как в процессе пайки, так и при эксплуатации соединений. Припой должен быть экономичным и не содержать дефицитных компонентов. Технологические требования к припою предусматривают хорошую смачиваемость соединяемых им металлов, высокие капиллярные свойства, малый температурный интервал кристаллизации для исключения появления пор и трещин в паяных соединениях, возможность дозирования его в виде проволоки, трубок с наполнением их флюсом, шариков, таблеток и т. п.

Флюсы

Флюсы при пайке образуют жидкую и газообразную защитные зоны, предохраняют поверхность металла и расплавленного припоя от окисления, растворяют и удаляют уже имеющиеся пленки оксидов и загрязнений с поверхностей, улучшают смачивание металла припоем и растекание припоя за счет уменьшения сил поверхностного натяжения (см. разд. 2.2.2). Выбор флюса производится исходя из требуемой химической активности, которая должна быть наибольшей в интервале температур, определяемом температурами плавления припоя и пайки. Он должен быстро и равномерно растекаться по паяемым материалам, хорошо проникать в зазоры и удаляться из них, легко вытесняться расплавленным припоем, быть термически стабильным, не выделять вредных для здоровья газов, не вызывать коррозии паяемых металлов и припоев, быть экономичным. Правильно выбранный флюс ускоряет процесс пайки при минимально возможных температурах, что важно при сборке термически чувствительных элементов РЭА.

В зависимости от температурного интервала активности флюсы разделяются на низко- и высокотемпературные. Для электромонтажных соединений в основном применяются низкотемпературные флюсы, которые по коррозионному действию разбиты на пять групп: 1) некоррозионные неактивированные; 2) некоррозионные слабоактивированные; 3) слабокоррозионные активированные; 4) коррозионные активные; 5) коррозионные высокоактивные. По своему составу флюсы разделяются на три группы:

 смолосодержащие;

 активированные смолосодержащие;

 смолонесодержащие.

К первой относятся смолосодержащие флюсы на основе канифоли или полиэфирные флюсующих смол (ПН-9, ПН-56). Они обладают широкой универсальностью, не снижают электрическое сопротивление подложек ПП, не вызывают коррозии соединяемых металлов. Однако флюсы этих групп обладают слабой химической активностью и предназначены для пайки легкопаяемых металлов.

Во второй группе наиболее широкое применение находят флюсы с канифолью, однако флюсующая активность её невысока. В связи с этим вводят различные активирующие добавки. Роль таких добавок в процессе оплавления сводится к устранению путём химического взаимодействия окислов металлов, образующихся на поверхности паяемого изделия. Часто в качестве активирующих добавок вводят органические и неорганические кислоты, различные соли. Канифольные флюсы, активированные 2...3,5% органических кислот (бензойной, салициловой и др.), обладают повышенной активностью и используются при групповой и ручной пайке многослойных ПП. Сильное влияние этих флюсов на сопротивление изоляции диэлектриков и коррозию проводников требует тщательной отмывки остатков флюса после пайки.

Третью группу составляют коррозионные активные флюсы, не содержащие смол. Для повышения активности флюсов в их состав вводят активирующие добавки: анилин, гидразин, триэтаноламин, диэтиламин соляно-кислый. При введении активаторов стремятся, чтобы при пайке добавки со щелочными свойствами нейтрализовали остатки кислотных компонентов. С целью уменьшения коррозионных свойств флюса-активатора предложено использовать продукты нейтрализации органических кислот аминами. В качестве кислотных составляющих солей применяют как неорганические, так и слабые органические кислоты – оксибензойную, лимонную, олеиновую. Основное применение данные флюсы нашли в процессах лужения и восстановления паяемости монтажных элементов после хранения в цехе и на складе.

Припойные пасты

Реализовать полностью все преимущества технологии поверхностного монтажа позволяет использование в качестве припойного материала паяльных (припойных) паст, так называемые Reflow soldering processes. Пайка с использованием паяльных паст не только облегчает условия создания автоматизированного процесса, но и повышает качество и надёжность паяных соединений, обеспечивает экономию припойных материалов.

Припойные пасты представляют собой однородную суспензию порошка легкоплавкого припоя во флюсующей связке, которая выполняет функции активатора, растворителя, дефлокулянта, антиоксиданта и др.

При использовании для монтажа пайкой ЭРЭ и ИМ паяльные пасты обеспечивают выполнение в полном объёме следующих технологических требований:

 использование всего диапазона низкотемпературных припоев, применяемых для пайки;

 синхронизацию подачи припоя и флюса в оптимальных соотношениях;

 точное дозирование припоя и флюса по количеству и месту размещения, простоту дозирования;

 фиксацию, удержание элементов при сборке;

 существенное снижение расходов дефицитных материалов;

 реализацию групповых методов обработки изделий различной серийности;

 обеспечение технических решений, принципиально невозможных при ручной сборке;

 существенное повышение качества и надёжности изделий;

 полное исключение ручного труда, создание автоматизированных комплексов и полностью автоматизированных производств.

За рубежом целый ряд ведущих фирм, занятых разработками в области электроники и электротехники, изготавливает пасты различного назначения, в том числе припойные. Самые известные из них: Du Pont, Kester, Alpha Metals, Electron Fusion Devices Inc. (EFD), ERA Inc, Multicore.

Качество припойной пасты определяется размерами частиц припоя, их формой, чистотой, степенью однородности гранулометрического состава и химическим составом флюсующей связки.

Составляющие припойных (паяльных) паст.

Припойные пасты сильно различаются по составу и свойствам, общим у них является наличие двух составляющих: порошкообразного припоя и флюса-связки. В пределах этих главных компонентов возможны разнообразные комбинации.

К порошкам припоев, применяемых для производства паяльных паст, предъявляется ряд специальных требований:

 однородность фракционного состава (20…70 мкм);

 низкая степень окисления;

 форма зерен должна быть максимально близкой к сферической;

 отсутствие посторонних включений.

В отечественной и зарубежной практике используют методы получения мелкодисперсного припоя, основанные на различных физических эффектах обеспечивающих получение порошков металлов.

Распыление акустическими колебаниями выгодно отличается высокой производительностью и хорошим качеством получаемых продуктов. Распыление выполняется в инертной (азот, гелий) среде, что позволяет получать неокисленные зёрна припоя [5].

Второй основной составляющей припойных паст является флюс-связка. Составы флюсов-связок разнообразны, выбор их определяется характером спаиваемых поверхностей и требованиями техпроцесса.

К числу таких требований относятся:

 обеспечение необходимых реологических свойств;

 обеспечение требуемых флюсующих свойств;

 возможность отмывки изделий после пайки определёнными растворами;

 обеспечение достаточной клеящей способности;

 отсутствие расслаивания в процессе использования и хранения.

Флюсующую связку припойных паст образуют, как правило, флюс и органическое связующее.

Флюс – индивидуальное вещество или смесь веществ, которые способны при повышенной температуре очищать паяемые металлы от окисной плёнки, снижать поверхностное натяжение на границе расплавленный припой-металл-связующее, предохранять расплавленный припой от окисления (см. раздел Флюсы).

Органическое связующее – это смесь веществ, в которой растворяется активатор и взвешивается порошкообразный припой. Активатором пайки может быть и само органическое связующее.

В качестве органического связующего часто используются смолы, полипарафины, полиорганические силоксаны, масла, органические лаки.

На основе ряда контролируемых параметров (реологические свойства, активность флюса и т.п.) характеристики паяльных паст могут быть подобраны для обеспечения качественных паяных соединений с учётом методов изготовления и дозирования паст, метода пайки и требований последующей очистки. Таким образом, основой успешного применения паст является тщательный учёт технологических факторов процесса пайки и рациональный выбор пасты.

Способы нанесения припойных паст в зону пайки

Первый «пункт назначения» печатной платы в цепочке современных автоматизированных способов монтажа пайкой — аппарат для нанесения припойной пасты (см. разд. 3.2). От того, насколько правильно будет нанесена припойная паста на плату, во многом зависит работоспособность конечного изделия: элементы могут «поплыть» ли из-за слишком большого количества пасты, из-за неточного нанесения образуются короткие замыкания, количество пасты должно быть достаточно для надежного спаивания всех контактов.

Использование припойных паст потребовало разработки специальных методов нанесения их на место пайки. Паста может наносится вручную – иглой или микрошпателем, кистью, накаткой валиком. Для серийного производства чаще всего используются методы трафаретной печати или дозаторного нанесения.

Электропневматические (реже механические) дозаторы применяют для ручного или автоматического нанесения порции пасты [4]. Использование данного метода экономически наиболее выгодно в условиях мелкосерийного и единичного производства. Количество пасты регулируется диаметром канала иглы, а также режимом дозирования. Для микродозировки важное значение имеют реологические свойства паст, прежде всего, размер и форма частиц порошкообразного припоя, вязкость композиции.

Соблюдение всех указанных требований позволяет использовать дозатор в целом ряде технологических процессов, что улучшает качество пайки и существенно снижает расход припоя и флюса. Кроме того, метод прост, а используемое оборудование удобно в эксплуатации и недорого.

В ряде случаев использование дозаторов вполне оправдано даже при крупносерийном и массовом производствах. Например для нанесения пасты в труднодоступные участки – в отверстия, при ремонте (пайка нового компонента между смонтированными ранее) и т.д.

Нанесение через трафарет применяют при серийном и массовом производстве. При использовании трафаретной печати следует принимать во внимание на следующие факторы [6].

Во-первых, важна точность автоматического совмещения платы и трафарета. Современные станки должны обеспечивать точность не ниже 30 мкм. Это особенно важно при высокой плотности размещения на плате компонентов с мелким шагом.

Во-вторых, плата должна быть жестко закреплена и поддерживаться снизу. Давление инструмента – ракеля – при нанесении пасты может достигать 10 кг. Если конструкцией станка поддержка не предусмотрена, то плата может прогнуться под давлением и паяльная паста окажется между платой и трафаретом, вследствие чего возникнут короткие замыкания контактов и выводов платы и компонентов.

В-третьих, важное значение имеет система автоматической очистки трафарета. После 3-5 проходов ракеля на нижней стороне трафарета образуются шарики пасты, которые при подаче очередной платы могут образовывать замыкания ее контактов.

Пройдя автоматический видео-контроль количества паяльной пасты на контактных площадках, плата поступает в автомат установки поверхностно-монтируемых компонентов (см. разд. 3.1).

Очистные жидкости

Очистные жидкости предназначены для отмывки изделий от флюса после пайки в специальных установках (см. разд. 3.4). При выборе очистной жидкости необходимо учитывать состав остатков, ее растворяющую способность, рабочую температуру, время и условия отмывки, влияние на элементы конструкции, токсичность и пожароопасность. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной горячей (60...80°С) воде с помощью мягких щеток (кистей). Канифольные флюсы в процессе индивидуальной пайки промывают этиловым (изопропиловым) спиртом; при групповой пайке применяют ультразвуковую очистку или очистку щетками в спирто-бензиновой смеси (1:1), трихлорэтилене или хлористом метилене. Хорошие результаты получены при использовании фреона или смесей на его основе. Фреон характеризуется низким поверхностным натяжением, в результате чего он проникает в мельчайшие отверстия. Этот растворитель не воспламеняется, не разрушает резину, лаки, краски и большинство полимеров, легко регенерируется путем дистилляции, но экологически опасен.

В последние годы различными фирмами предлагается целый ряд высокоэффективных промывочных жидкостей. Широкое распространение в настоящее время получила жидкость PROZONE, обладающая высокой эффективностью и универсальностью, и поэтому используемая и для промывки печатных плат, и для очистки трафаретов и оборудования. Еще более высокими качествами обладает промывочная жидкость на основе спиртовых модифицированных соединений ZESTRON^ FA [7]. Она обеспечивает отличное качество отмывки и не оставляет маслянистых остатков.

Выбор конкретного материала для пайки производят в соответствии с отраслевыми стандартами.