Типові технологічні процеси виготовлення печатних плат

Всі процеси виготовлення печатних плат можна розділити на субтрактивні, адитивні й напівадитивні.

Субтрактивний процес (subtractіo - віднімати) - одержання провідного малюнка полягає у вибірковому видаленні ділянок провідної фольги шляхом травлення; адитивний процес (addіtіo - додавати) - у вибірковому осадженні провідного матеріалу на нефольгований матеріал основи; напівадитивний процес передбачає попереднє нанесення тонкого (допоміжного) провідного покриття, який видаляється згодом із пробільних місць.

Відповідно до ДСТ 23751-86 конструювання печатних плат варто здійснювати з урахуванням наступних методів виготовлення:

1. хімічного для ОПП, ГПК;

2. комбінованого позитивного (для ДПП, ГПП);

3. електрохімічного (напівадитивного) для ДПП;

4. металізації наскрізних отворів для МПП.

Всі рекомендовані методи, (крім напівадитивного) є субтрактивними.

Хімічний метод, або метод травлення фольгованого діелектрика.

Метод полягає в тім, що на мідну фольгу, приклеєну до діелектрика, наносять позитивний малюнок схеми провідників. Наступним травленням видаляється метал з незахищених ділянок і на діелектрику залишається необхідна електрична схема провідників.

Найпоширенішими варіантами цього методу є фотохімічний і сітково-хімічний, які відрізняються способом нанесення захисного шару (фотодрук або трафаретний друк).

Основними етапами одержання провідників є (мал. 9.16)

• підготовка поверхні,

• нанесення шару фоторезисту,

• експонування,

• проявлення схеми,

• травлення фольги,

• видалення фоторезисту.

Підготовку поверхні фольги виконують латунними або капроновими щітками, що обертаються. На поверхню фольги наносять суміш маршалита й віденського вапна. У результаті зачищення рекомендовано одержати шорсткість фольги в межах Rа 2,5...1,25 мкм, що забезпечує достатню адгезію фоторезисту й легке видалення його при проявленні.

Незалежно від механічного зачищення у будь-якому випадку проводять хімічне очищення фольги й нефольгованих поверхонь плати. Її виконують у лужних розчинах з наступним промиванням у неіонізованій воді. Для нейтралізації залишків лугу і видалення шару оксидів, плати піддають декапіруванню в розчині соляної і сірчаної кислот.

Якість очищення впливає на всі наступні операції технологічного процесу. В результаті поганого очищення можуть з'явитися проколи, неповне травлення міді, відшаровування, недостатня адгезія фоторезисту й інші дефекти.

Нанесення шару фоторезисту здійснюють на підготовлену поверхню фольги (мал. 9.16, а) шару фоторезисту 2 і роблять його сушіння протягом 15...20 хв при температурі 65°С (мал. 9.16, б).

Експонування здійснюють за допомогою фотошаблона 3 з негативним зображенням схеми у вакуумній світлокопіювальній рамі для засвічування. Як джерело світла використовують дугові ртутні й люмінесцентні лампи (мал. 9.16, в). Для одержання різкого зображення необхідний щільний контакт між фотошаблоном і фоторезистом.

Рис. 9.16. Основні етапи отримання провідників фотохімічним методом

Проявлення схеми це вимивання розчинних ділянок фоторезисту, що перебували під темними місцями негатива. Для фоторезистів негативної дії як проявники використовують спиртові суміші та ін. Час проявлення (2...3 хв) залежить від товщини фоторезисту.

Проявлення доцільно виконувати у двох ваннах. У першій ванні видаляється більша частина фоторезисту, а в другій ванні відбувається тонке проявлення. Забруднення проявника в другій ванні буде незначним, і дія його протягом великого часу буде стабільним.

Якість отриманого шару можна контролювати шляхом занурення плати в розчин з барвником. Фарбування дає можливість візуально визначити наявність дефектів у шарі фоторезисту. Однак вона може знизити кислотостійкість шару фоторезисту.

Неминучі дефекти емульсійного шару усуваються ретушуванням (звичайно емаллю НЦ-25). При цьому закривають точкові отвори, розриви, а також видаляють надлишки фоторезисту. Трудомісткість ретушування залежить від кількості дефектів і становить у середньому 10 хв на плату. Зниження трудомісткості ретушування можна за рахунок чистоти і зниження запиленості навколишнього середовища.

Отриманий захисний шар 4 (мал. 9.16, г) можна піддавати хімічному дубленню в розчині ангідриду й тепловому дубленню (витримка в термостаті при t=60°С на протязі 40...60 хв). Необхідність операції дублення визначається в кожному окремому випадку, тому що вона зменшує адгезію фоторезисту.

Подальші етапи є загальними для плат, виготовлених фотохімічним і сітково-хімічним методами.

Травлення являє собою процес видалення шару металу для одержання потрібного малюнка схеми 5 (мал. 9.16, д). Процес травлення містить у собі

1. попереднє очищення,

2. власне травлення металу,

3. очищення після травлення

4. видалення фоторезисту або фарби (мал. 9.16, е).

Механічна обробка плати полягає в штампуванні або фрезеруванні по контуру й одержанні отворів. Для видалення пилу й бруду плату обдувають стисненим повітрям.

Хімічні методи при порівняно простому технологічному процесі забезпечують високу міцність зчеплення провідників з основою (2 МПа) рівномірну товщину провідників та їхню високу електропровідність. Час хімічних впливів на плату в процесі виготовлення становить приблизно 25 хв. Недоліком хімічних методів є низька міцність у місцях установки виводів, тому що отвори не металізуються.

Комбінований позитивний метод.

Цей метод застосовують для виготовлення ДПП і ГПП із металізованими отворами на двосторонньому фольгованому діелектрику. Провідний малюнок одержують субтрактивним методом, а металізацію отворів здійснюють електрохімічним методом (мал. 9.17). Поверхня обох сторін плати 1 й отвору 2 піддають хімічному й попередньому гальванічному мідненню для одержання шару міді товщиною 5...7 мкм (мал. 9.17, а). Після підготовки металізованих поверхонь на них створюється негативне зображення схеми провідників 3 (мал. 9.17, б). Це зображення може бути отримане за допомогою сіткографічної фарби або сухого плівкового фоторезисту.

На зовнішні поверхні, не захищені резистивною маскою, і в отвори осаджується шар міді 4, товщина якого в отворах повинна бути не менша 25 мкм. Гальванічне осадження міді виконується на заготовці плати, що має суцільний шар фольги, яка захищає поверхню діелектрика і забезпечує електричний контакт всіх елементів схеми. Металізовані поверхні покриваються захисним шаром сплаву "олово-свинець", товщина якого не менша 10 мкм. Покриття цим сплавом добре захищає мідь від травлення й після нанесення цього покриття ділянки мідної фольги, покриті раніше фоторезистом, видаляються травленням. Після травлення на платі залишається необхідний малюнок схеми 5, утворений облуженою мідною фольгою (мал. 9.17, в).

Рис. 9.17. Основні етапи отримання провідників комбінованим позитивним методом

Процес експонування двосторонньої печатної плати показаний на мал. 9.18. У пластину 6 з оргскла запресовані два штифти 1. На плату 5, що має фольгу 4 із двох сторін, нанесений фоторезист 3. На штифти встановлюють фотошаблон однієї сторони плати, а зверху встановлюють інший шаблон 2.

Рис. 9.18. Експонування двосторонньої печатної плати

Зображення проявляють під душем при t = 40...50°С с легким протиранням поверхні губкою. Процес проявлення прискорюється при накладенні ультразвукових коливань. Набухання плівки є дифузійним процесом введення низькомолекулярного розчину у високомолекулярний шар світлочутливої емульсії. Дифузія в ультразвуковому полі сильно прискорюється за рахунок акустичних мікропотоків. Кавітаційні пухирці проникають у пори, що утворилися, і відривають копіювальний шар від поверхні плати.

Видалення продуктів розчинення здійснюється акустичними впливами, що прискорює процес проявлення в багато разів. При цьому плата менше перебуває в розчині.

Після проявлення здійснюється перевірка: малюнки повинні бути чіткими й рівними, без патьоків і напливів емульсії.

При одержанні провідників виникають ефекти їхнього розростання й підтравлювання. Якщо товщина металевого покриття перевищує товщину шару резисту, то починається бічний ріст покриття з такою же швидкістю, що й ріст товщини основного покриття, що приводить до утворення грибоподібного перетину провідника (мал. 9.19). Після покриття уздовж усього провідника утворяться нависаючі тендітні краї зі сплаву SnPb. Обламуючись, вони утворять тонкі задири розміром 25...50 мкм, які важко виявити неозброєним оком. Такі задири необхідно видалити, тому що вони можуть викликати замикання сусідніх провідників.

Рис. 9.19. Перетин провідників:

а - розростання;

б - підтравлювання;

1 - сплав «олово – свинець»;

2 - металізація;

3 - фоторезист;

4 - фольга;

5 - основа печатної плати

Електрохімічний (напівадитивний) метод.

Даний метод застосовують для виготовлення ДПП із високою щільністю струмопровідного малюнка. Основна відмінність від комбінованого позитивного методу полягає у використанні нефольгованого діелектрика СТЭФ.1-2ЛК із обов'язковою активацією його поверхні або діелектрика слофодит з фольгою 5 мкм.

Розподільна здатність електрохімічного напівадитивного методу вище, ніж комбінованого позитивного. Це пояснюється малим бічним підтравлюванням, що дорівнює товщині шару, що травлять, і при напівадитивному методі становить усього 5 мкм. Метод забезпечує високу точність малюнка, гарне зчеплення провідників з основою й усуває невиправдану витрату міді, що доходить до 80% при використанні фольгованих діелектриків.

Метод металізації наскрізних отворів. Метод застосовують для виготовлення БПП (мал. 9.20). Основні операції технологічного процесу одержання печатних провідників показані на мал. 9.21.

Заготовки з фольгованого діелектрика відрізають із припуском 30 мм на сторону (мал. 9.21, а). Після зняття задирів по периметру заготовок і в отворах поверхню фольги захищають на крацевальному верстаті й знежирюють механічно (сумішшю віденського вапна та наждакового порошку) або хімічно (шляхом обробки в соляній кислоті й хромовому ангідриді).

Малюнок схеми внутрішніх шарів (мал. 9.21, б) виконують хімічним методом. При цьому протилежна сторона плати не повинна мати механічних ушкоджень і підтравлювання фольги. Базові отвори одержують пробиванням, орієнтуючись на мітки сполучення, розташовані на технологічному полі. Отримані заготівлі збирають у пакет, перекладаючи їх прокладками, що склеюють, зі склотканини, яка містить до 50% термореактивної епоксидної смоли. Сполучення окремих шарів роблять за базовими отворами.

Рис. 9.20. Схема типового технологічного процесу виготовлення БПП методом металізації наскрізних отворів

Пресування пакета (мал. 9.21, в) здійснюється гарячим способом. Пристосування з пакетом шарів установлюють на плити преса, підігріті до 120...130°С. Перший цикл пресування здійснюють при тиску 0,5 МПа й витримці 15...20 хв. Потім температуру підвищують до 150...160°С, а тиск - до 4...6 МПа. При цьому тиску плата витримується з розрахунку 10 хв на кожен міліметр товщини плати. Охолодження ведеться без зниження тиску.

Рис. 9.21. Основні етапи одержання печатних провідників МПП:

а - виготовлення заготівель фольгованого матеріалу й склотканини;

б - одержання малюнка схеми внутрішніх шарів;

в - пресування багатошарової печатної плати;

г - свердлення отворів, попередня металізація, одержання малюнка схеми зовнішніх шарів МПП;

д - остаточна металізація отворів, нанесення захисного покриття;

е - травлення міді із пробільних місць

Важливим моментом у процесі пресування є прикладення максимального тиску саме в той момент, коли смола переходить у стан гелю. Якщо притиснути, коли смола перебуває в рідкому стані, значну кількість її буде видавлено й у готовій платі утворяться порожнечі. Якщо прикласти тиск після того, коли смола зі стану гелю перейде у твердий стан, між шарами виникає поганий зв'язок.

Для визначення стану гелю ведуть спостереження за крайкою пакета. Через кілька хвилин на ній після попереднього притиску з'являється й починає пузиритися смола. Момент, коли смола перестане пузиритися (звичайно через 1...2 хв), відповідає настанню гелю. У цей час треба прикласти повне тиснення. Повітря, що перебуває між шарами, проходить через розм'якшену смолу й виходить назовні. Частково воно затримується біля країв, утворюючи порожнечі, які видаляються при обрізку країв плати. Щоб уникнути жолоблення після обрізки країв рекомендується плату затиснути між двома пластинами й помістити на 40 хв у піч при t=125°С.

Свердлення отворів виконують на верстатах зі ЧПК. Перед свердлінням на обидві сторони заготовки наносять захисний шар лаку. У процесі механічної обробки плати забруднюються. Для усунення забруднення отвори піддаються гідроабразивному впливу, що дозволяє видалити задири на фользі, що утворяться при свердлінні, і очистити від епоксидної смоли торці контактних площадок внутрішніх шарів. При великій кількості отворів доцільно застосовувати ультразвукове очищення, що забезпечує інтенсивне перемішування розчину за рахунок акустичних плинів і підвищену здатність проникнення розчину в дрібні отвори. Після очищення й знежирення плату промивають у гарячій і холодній проточній воді. Потім виконуються хімічна й попередня електролітична металізації отворів та операції для одержання малюнка зовнішніх шарів (мал. 9.21, г). При остаточній електролітичній металізації необхідно одержати рівномірне по товщині покриття в отворах з товщиною шару міді не менш 25 мкм (мал. 9.21, д). Всі зовнішні, поверхні плати, не захищені фоторезистом, і отвори покривають захисним сплавом "олово - свинець". Після цього фоторезистивну маску видаляють. Схему провідників на зовнішніх шарах одержують травленням (мал. 9.21, е). Для забезпечення рівномірного травлення поверхню фольги зачищають сумішшю віденського вапна й наждакового порошку.

Внаслідок травлення фольги в отворах багатошарових плат залишається велика кількість шлаків, що видаляють шляхом очищення при впливі ультразвукових коливань.

Механічна обробка по контуру, одержання конструктивних отворів і пазів здійснюються на фрезерних, координатно-свердлильних й інших верстатах. Після остаточного контролю плати піддають консервуванню флюсом ФКСП (каніфоль і спирт етиловий).

Метод металізації наскрізних отворів із внутрішніми переходами

Цей метод (мал. 9.22) відрізняється від розглянутого вище наявністю додаткових операцій, зв'язаних зі свердленням отворів в окремих шарах плати і їхньою металізацією.

Технологічний процес виготовлення печатних плат субтрактивними методами має ряд недоліків:

1. значна витрата мідної фольги;

2. бічне підтравлювання, що погіршує механічні й електричні характеристики печатних плат;

3. висока трудомісткість виготовлення

4. обмежені можливості підвищення щільності монтажу.

Із впровадженням БПП ріст щільності монтажу відбувається за рахунок збільшення числа шарів, а щільність печатного малюнка шарів практично залишалася на колишньому рівні. По технологічних особливостях збільшення числа шарів більше 10...12 є недоцільним. Багатошарові печатні плати мають високі технічні й експлуатаційні характеристики, однак їхнє проектування й виробництво пов’язані з великими труднощами.

Рис. 9.22. БПП із внутрішніми переходами:

1— провідник;

2 — міжшаровий діелектрик;

3 — внутрішній металізований перехід;

4 — металізований перехід між зовнішніми шарами

Напівадитивні методи виготовлення дозволяють підвищити щільність печатного монтажу, значно зменшити підтравлювання провідників і скоротити кількість операцій технологічного процесу. Вартість таких плат на 20% нижче вартості ДПП, виготовлених субтрактивними методами. Основною проблемою є підвищення якості матеріалів і технологічного устаткування.

Заключний етап виробництва печатних плат - контроль механічних й електричних властивостей. Перед контролем плати піддаються впливу навантажень, які моделюють умови експлуатації й транспортування (удари, вібрації, теплові впливи й ін.).

При контролі механічних властивостей перевіряють наявність тріщин і подряпин на металевій фользі, форму окремих елементів плати, якість з'єднань провідників з контактними площадками, неплощинність плати, товщину й безперервність шару міді в отворах, ступінь підтравлювання провідників, величину адгезії провідників й ін. Контроль може бути руйнуючий (наприклад, виготовлення й оцінка шліфів) і неруйнуючий (візуальний, радіаційний й ін.).

При контролі електричних властивостей перевіряється наявність всіх електричних з'єднань та ізоляції між провідниками. Дефекти ізоляції виникають внаслідок утворення перемичок (залишки міді після травлення), зменшення відстані між провідниками через погрішності оригіналу малюнка.

Автоматизовані пристрої контролю. Для контролю електричних властивостей печатних плат широко застосовують автоматизовані пристрої контролю з використанням ЕОМ.

Оптичні методи контролю. Ці методи є досить перспективними, дозволяють виявити дефекти будь-якого типу й забезпечують високу продуктивність контролю. Вони є, безконтактними, тому що контролюється не сама ПП, а її зображення. При цьому перевіряються ширина провідників і відстань між ними, наявність розривів і замикань провідників, відшарування провідників від підкладки. Загальним для всіх оптичних методів контролю є наявність джерела випромінювання, що висвітлює ПП, і приймача, що перетворить оптичний сигнал в електричний. Основним завданням контролю ПП є одержання зображення малюнка провідників з необхідною контрастністю. Методи контролю розрізняють за способом порівняння контрольованого об'єкта з еталоном, а також формою подання еталона (у дискретній або аналоговій формі).

Новими напрямками в проектуванні й виготовленні печатних плат є рельєфні й ткані плати.

Рельєфна печатна плата (РПП) являє собою діелектричну основу 1, на якому розташовані провідники 2 у вигляді металізованих канавок і наскрізні отвори 3 конічні форми (мал. 9.23). Канавки й перехідні отвори заповнюють сплавом Розе 4. Звичайно РПП бувають двосторонніми. Рельєфний провідник по ширині в 2...3 рази менше печатного плоского провідника того ж перетину, має надійніше зчеплення з основою і не виступає над поверхнею плати. Провідники на одній стороні плати розташовуються тільки в одному напрямку - перпендикулярно провідникам на іншій стороні.

Рис. 9.23. Перетин рельєфної плати

Конічна форма перехідних отворів забезпечує гарне зчеплення металізованого отвору з діелектриком. Отвори мають діаметр 0,2 мм і можуть розміщатися в будь-якій точці перетину трас при мінімально припустимих відстанях між провідниками.

Мала ширина провідників, відсутність контактних площадок і строга ортогональність провідників дозволяють в 5...6 разів підвищити щільність печатного монтажу. Двосторонні РПП перевершують БПП по щільності печатного монтажу.

Рельєфні печатні плати виготовляють звичайно електрохімічним методом.

Канавки одержують фрезеруванням на верстатах зі ЧПК або пресуванням. Інші операції здійснюються по типовому технологічному процесу.

Рис. 9.24. Ткана (плетена) плата

Ткані (плетені) плати (мал. 9.24, а, б) виготовляються із дроту на ткацькому верстаті із програмним керуванням. Основа плати 1 складається з переплетених дротів 3 й 4, що утворить отвори 5. У місцях кріплення елементів 2 із дротів видаляється ізоляція. Дроти перериваються або з'єднуються пайкою відповідно до електричної схеми. Такі плати мають високі ізоляційні властивості. Внаслідок високої продуктивності текстильних верстатів виготовлення тканих плат в 5...6 разів дешевше аналогічних за структурою ПП або плат із провідним монтажем. При цьому досягається економія кольорових металів, хімічних реактивів і зниження витрат на інструмент.

Процес виконання печатних плат на підкладках з анодируваного алюмінію. Такі підкладки відрізняються гарними теплопровідними властивостями, що дає можливість збільшити електричні навантаження в струмопровідних ланцюгах. Високі електроізоляційні властивості підкладки забезпечуються оксидною плівкою, створеною на її поверхні. Застосування алюмінієвих підкладок дозволять повністю або частково виключити пристрої примусового відведення тепла й забезпечити надійніше кріплення електрорадіоелементів.

Пайка

Пайкою називається процес утворення з'єднання міжатомними зв'язками шляхом

1. нагрівання матеріалів, що з'єднують, до температури плавлення,

2. їхнього змочування припоєм,

3. затікання припою в зазор

4. наступної його кристалізації.

Пайку застосовують також для одержання електричного контакту з малим перехідним опором.

З'єднання, що утвориться під час пайки, неоднорідне за складом. Воно містить у собі паяний шов і зону сплавлення. Паяний шов - це частина паяного з'єднання, що кристалізувалось при пайці; зон сплавлення - поверхня між паяним матеріалом і паяним швом або границя між ними у перетині паяного з'єднання. Зона сплавлення складається з дифузійної зони й прокристалізованого шару, що утвориться в результаті виділення із розплаву більш тугоплавкої складової.

Рис. 9.25. Схема рівноваги краплі припою на поверхні твердого тіла

Дифузійна зона являє собою шар основного матеріалу зі зміненим хімічним складом і мікроструктурою, що утворилася в результаті дифузії компонентів припою й матеріалу, що паяють. Залежно від фізико-хімічних властивостей основного матеріалу й припою, умов і режимів пайки утворений спай може мати різну будову.

При низькій температурі й малому часу пайки інтенсивність взаємодії на міжфазовій границі знижується. У цьому випадку можливе утворення між основним металом і припоєм хімічних металевих зв'язків при відсутності дифузії або її обмеженні. Якщо дифузією можна знехтувати, то спай називають бездифузійним. Такий спай не змінює фізико-хімічних властивостей основного металу й широко застосовується при монтажній пайці.

В якості припою використовують різні кольорові метали і їхні сплави. Температура плавлення припою значно нижче температури плавлення з’єднуваних металів.

При високій температурі пайки в місці контакту з’єднуваних матеріалів і припою температура перевищує 723 К (~ 450°С), а при низькотемпературній пайці - не перевищує 723 К.

Для одержання силових з'єднань із високою механічною міцністю застосовують високотемпературну пайку. Її роблять мідними, цинковими, срібними й іншими припоями. Для низькотемпературної пайки використають припої, що мають температуру плавлення 200 ... 300 °С (олов'яно-свинцеві, вісмутові, кадмієві й ін.).

Пайка можлива тільки в тому випадку, якщо припій змочує з'єднувальні деталі. Змочування являє собою молекулярну взаємодію рідини з поверхнею твердого тіла. Воно відбувається в тому випадку, якщо сили притягання між атомами припою й металу більше, ніж між атомами самого припою.

На мал. 9.25 показана крапля рідкого припою, що перебуває на поверхні твердого тіла в рівновазі з навколишнім газовим середовищем. У момент рівноваги в системі є три фази:

1 - газова (флюс);

2 - рідка (припій);

3- тверда (основний метал).

Поверхневий натяг (вектор ) діє по дотичній до поверхні рідкого металу. Цей натяг намагається зменшити поверхню краплі припою. При відсутності інших сил поверхневий натяг надав би краплі сферичну форму, тому що із всіх тіл рівного об’єму куля має мінімальну поверхню. Напруги на поверхні розділу між рідиною й навколишнім середовищем протидіють цьому натягу, і крапля припою приймає форму, відмінну від кулі.

Натяг являє собою силу, що діє між рідким припоєм і твердим металом, а натяг - між основним металом і газом.

Для поверхневих сил справедливе співвідношення

або (13.1)

Де - крайовий кут, або кут змочування.

Ступінь змочування припою характеризується значенням крайового кута (мал. 9.26).

Граничними станами є відсутність змочування, коли =180° (мал. 9.26, а), і повне змочування, коли = 0° (мал. 9.26, б).

Рис. 9.26. Змочування поверхні металу припоєм:

а - відсутність змочування;

б - повне змочування;

в - часткове змочування;

г - гарне змочування;

д - визначення кута змочування

При 75°< <90° має місце часткове змочування (мал. 9.26, в), а при <45° - гарне змочування (мал. 9.26, г). Якщо крапля не змочує поверхню, то вона має приблизно сферичну форму. Сила зчеплення припою з поверхнею деталі в цьому випадку дуже мала й крапля припою легко струшується, не залишаючи слідів на поверхні. Крапля змочувальної рідини в тому ж обсязі має більшу поверхню зіткнення з поверхнею деталі, сила її зчеплення значна, і припій не можна повністю видалити струшуванням.

Паяємість (мал. 9.26, д) можна визначити по куті змочування. Для цього мідний луджений дріт 1 припаюють до випробовуваного зразка 2. Потім роблять зріз зразка й заміряють крайовий кут.

Важливими властивостями припою є розтікаємість і здатність затікати у вузькі зазори під дією капілярних сил.

Розтікаємість визначають шляхом розплавлювання встановленої кількості припою при заданому режимі нагрівання на металевій пластині із застосуванням заданого флюсу. Розтікаємість характеризується коефіцієнтом К_р , що представляє собою відношення площі S_p, зайнятою припоєм після розплавлювання або розтікання, до площі S₀, займаною дозою припою до розплавлювання:

К_р = S_p / S₀ (9.26)

Для визначення здатності припою затікати у вузькі зазори заміряють висоту підйому розплавленого припою між двома закрученими стандартними дротами або між двома пластинами, установленими з невеликим зазором.

Для монтажної пайки застосовують низькотемпературні припої на основі сплаву "олово - свинець". Аналіз і вибір припою можна здійснити, використовуючи діаграму стану цієї системи (мал. 9.27).

Рис. 9.27. Діаграма стану сплаву "олово - свинець"

Крива ABCED являє собою лінію солідуса, тобто лінію найвищої температури, нижче якої припій перебуває у твердій фазі. Найнижча температура, при якій метал або сплав залишаються рідкими, характеризується лінією ліквідусу (крива АCD). Чистий свинець (точка А) має температуру плавлення 327 °С, чисте олово (точка D) - 232°С. Припої, що містять від 19,5% (точка В) до 97,5% олова (точка Е), мають однакову температуру солідуса (183°С).

На ділянці, обмеженій замкнутій кривій АВСА, перебувають кристали твердого розчину олова у свинці (а) і рідкий розчин олова у свинці;

На ділянці, обмеженій лінією DCED, - кристали твердого розчину свинцю в олові (р) і рідкий розчин свинцю в олові.

В інтервалі температур між лініями ACD й АВСЕ сплави перебувають у пастоподібному стані. Точка С позначає евтектику, якій відповідає сплав 61,8% олова й 38,2% свинцю. При плавленні (t =183°С) цей сплав повністю стає рідким.

Сплави, склади яких перебувають в області між твердим розчином олова у свинці й евтектикою (припій ПОС40, ПОС61 й ін.), за своєю будовою характеризуються дрібнозернистою основою із включеними в неї окремими зернами твердого розчину.

Інтервал температур між лініями солідуса й ліквідусу називається інтервалом кристалізації. Температурний інтервал кристалізації впливає на якість з'єднання й хід процесу пайки.

При широкому інтервалі кристалізації необхідно підтримувати незмінним положення поверхонь, які паяють, при охолодженні припою. У випадку відносного їхнього зсуву рідина не зможе заповнити всі проміжки між кристалами. Тому найкраща якість пайки забезпечує евтектичний припій.

Найближчий до евтектичного складу припій ПОС61, що знайшов широке застосування для монтажної пайки через низьку температуру плавлення, невеликий температурний інтервал кристалізації й високу корозійну стійкість. Для пайки з'єднань зі сталі, латуні і монтажних дротів використовують припій ПОС40.

Більш низьку температуру плавлення мають олов’яно-свинцеве-кадмієві припої, які використовують при східчастій пайці.

Підготовка поверхонь деталей, що підлягають пайці, полягає у видаленні забруднень, іржі, оксидних і жирових плівок.

При наявності забруднень розтікаємість припою буде поганою і можливе утворення дрібних кульок припою, що погіршують якість пайки.

На змочування і розтікаємість припою істотно впливає форма шорсткості поверхні. Якщо нерівності утворює мережа пересічних канавок, то змочування і розтікаємість припою буде підсилюватися капілярною дією канавок. Шорсткості, що представляють собою поглиблення, оточені виступами, погіршують змочування.

Спосіб зачищення може вплинути на якість пайки. Зачищення наждаковою шкуркою дають кращі результати, ніж травлення. В останньому випадку утворюється поверхня, яка не викликає капілярного ефекту.

Для видалення жиру і масла з поверхні деталей застосовують різні розчинники, гарячі лужні розчини. Для одержання чистих поверхонь використовують травлення кислотами.

Підготовлені поверхні покривають флюсом безпосередньо перед гарячим лудінням або пайкою.

Механізм дії флюсу (мал. 9.28) полягає в тім, що оксидні плівки металу й припою розчиняються або розпушуються й спливають на поверхню флюсу. Навколо очищеного металу утворюється захисний шар флюсу, що перешкоджає виникненню оксидних плівок. Рідкий припій заміщає флюс і взаємодіє з основним металом. Шар припою поступово збільшується й при припиненні нагрівання стає твердим.

Рис. 9.28. Схема лудіння за допомогою паяльника:

1 - наконечник паяльника;

2 - припій;

3-сплав припою з основним металом;

4 - зона взаємодії припою з основним металом;

5 - флюс,

6 - розчинений оксид;

7 - оксид на поверхні основного металу;

8 - основний метал;

9 - газоподібний флюс

Флюси за дією на метал, що піддається пайці, ділять на

• кислотні (активні),

• безкислотні,

• антикорозійні

• активовані.

Кислотні флюси (хлористий цинк і флюси на його основі) інтенсивно розчиняють оксидні плівки, забезпечуючи тим самим гарне зчеплення припою з основним металом. Залишок флюсу після пайки викликає інтенсивну корозію з'єднання й основного металу, тому необхідне ретельне промивання й повне видалення залишків флюсу з поверхні з'єднання. При монтажній пайці активні флюси не застосовують.

Безкислотні флюси (каніфоль і флюси, що готують на її основі з додаванням неактивних речовин спирту, гліцерину й ін.) хімічно малоактивні і їх можна застосовувати при ретельному зачищенні деталей. Залишок каніфолі не гігроскопічний і є гарним діелектриком; ця важлива перевага каніфолі при пайці монтажних з'єднань. Широко застосовують флюс марки ФКСП, що представляє собою розчин соснової каніфолі (10...40%) в етиловому спирті. Флюси на основі каніфолі не здійснюють корозійної дії.

Антикорозійні флюси (на основі з'єднань фосфорної кислоти з додаванням різних органічних кислот) не викликають корозії чорних металів, внаслідок чого відпадає необхідність видалення залишків флюсу після пайки.

Активовані флюси (на основі каніфолі з добавкою активізаторів - саліцилової кислоти й ін.) застосовують для сплавів, що погано піддаються пайці. Висока активність деяких активованих флюсів дозволяє виконувати пайку без попереднього видалення оксидів.

Для пайки твердими припоями як флюс використають буру або флюси на її основі (90% бури й 10% борної кислоти).

Лудіння полягає в покритті поверхонь з’єднуваних деталей тонкою плівкою припою. Гаряче лудіння виконують паяльником або шляхом занурення у ванну з розплавленим припоєм (мал. 9.29). Лудіння деталі 3 (мал. 9.29, а) можна здійснити зануренням у рідкий флюс, а потім у ванну 1 з розплавленим припоєм 2. На мал. 9.29, б показане лудіння через шар флюсу 4. Швидкість, проходження деталі через флюс повинна бути такою, щоб вона могла нагрітися до необхідної температури.

Рис. 9.29. Лудіння зануренням:

а - у ванну із припоєм;

б - через шар флюсу

При лудінні припій сплавлюється з основним металом, тому при пайці досить сплавити припої з полудою, що можливе при нижчій температурі нагрівання. Дрібні монтажні деталі можна лудити гальванічним шляхом. Одним зі способів дозування припою при лудінні є використання паяльних паст. Вони являють собою механічні суміші порошкового припою, зв'язувальної речовини й деяких інших компонентів. У пастах ПЛ-1, ПЛ-3 використовують порошок припою ПОС-61 і каніфоль. Після нанесення пасти її оплавляють при температурі на 30...50°С вище температури плавлення сплаву.

Пайка полягає в прогріві з’єднуваних елементів після нанесення припою і збереженні їх у стислому стані до повного затвердіння припою. Вона складається із двох фаз:

1) змочування припоєм металевих поверхонь;

2) заповнення припоєм зазору між змоченими поверхнями.

Ці дві фази залежно від конкретних умов можуть відбуватися послідовно або одночасно.

Рис. 9.30. Електропаяльник:

а - із зовнішнім нагрівачем (1 - наконечник 2 - кожух 3 - нагрівач; 4 - заземлення; 5-ручка);

б - із внутрішнім нагрівачем

При пайці й лудінні потрібен деякий час для здійснення взаємної дифузії припою й основного металу. Тривалість цього процесу залежить від складу припою, температури й інших факторів. Потім місце з'єднання прохолоджують до кімнатної температури. Залишки кислотного флюсу видаляють у гарячому розчині 2%-ної соляної кислоти з наступним промиванням у гарячій воді. Залишки некорозійних флюсів на основі каніфолі видаляти не потрібно, за винятком тих випадків, коли необхідна чиста поверхня або коли зону пайки офарбовують або покривають лаком.

Форма пайки може бути

• заливною, коли з’єднувальні елементи повністю сховані припоєм,

• каркасною - обриси виводу і контактної площадки проглядаються через тонкий шар припою.

Для каркасної пайки потрібно менше припою, візуальний контроль її здійснити простіше. Заливна пайка забезпечує більш надійне з'єднання при значних механічних навантаженнях.

Якість з'єднання оцінюють по його

1. зовнішньому вигляду,

2. структурі,

3. механічній міцності

4. інтенсивності відмов.

Перевірка за зовнішнім виглядом здійснюється візуально зі збільшенням в 10 разів і більше. При гарному з'єднанні поверхня припою повинна бути гладкою й блискучою, без сторонніх включень і напливів.

Структуру паяного з'єднання оцінюють по ширині дифузійної зони. Максимальна міцність з'єднання виходить при ширині дифузійної зони 0,9...1,0 мкм. Збільшення або зменшення цієї зони істотно знижує міцність з'єднання.

Якість структури перевіряють шляхом металографічного аналізу. При цьому досліджують характер і величину інтерметалевих прошарків на границі поділу "припій - метал", визначають наявність дефектів і сторонніх включень. Незадовільний стан структури з'єднання свідчить про неправильний вибір або порушення режимів пайки (температури, часу, швидкості охолодження припою й ін.).

Механічну міцність з'єднання визначають по зусиллю руйнування на розрив або зріз; холодний спай виявляється при перевірці на стійкість до вібрації.

Якість паяного з'єднання характеризується також перехідним опором, що знаходять як середнє арифметичне цього опору, визначене за трьома вимірами. Перехідний опір повинен бути не більше 3-10^-3 Ом. Добре виконані паяні з'єднання мають інтенсивність відмов 10^-7 ... 10^-8 1/год.

Найпоширеніші дефекти в паяних з'єднаннях - це газові пори (раковини) і холодний спай. Дрібні пори утворюються внаслідок виділення газів, потрапляння в припій оксидних плівок і перегріву припою при пайці. Раковини є результатом усадки, що відбувається при кристалізації, і недостатнього заповнення зазору припоєм.

Великий вплив на якість паяного з'єднання робить режим пайки, тобто сукупність параметрів й умов, при яких вона здійснюється.

Під параметрами розуміють

• температуру пайки,

• час витримки при цій температурі,

• швидкість нагрівання й охолодження.

Під умовами:

• спосіб нагрівання,

• припій,

• флюс (газове середовище),

• тиск на з'єднувані заготівки.

Холодний спай є наслідком заниженої температури пайки. Для одержання якісного з'єднання температура нагрівання паяльника повинна бути вище температури плавлення припою приблизно на 50°С. Вища температура викликає сильний окисний процес і сприяє швидкому виходу паяльника з ладу.

Головні умови безпечної роботи при пайці - це гарна вентиляція ділянки, захист від опіків й уміння працювати із флюсами й припоями.

Олов'яно-свинцеві припої містять токсичні речовини, які можуть викликати забруднення шкіри рук й одягу працюючих. Всі флюси під час пайки виділяють гази, а каніфолеві флюси - гази й велику кількість диму.

Щоб уникнути потрапляння токсичних речовин в організм людини необхідно після роботи із припоями і флюсами ретельно мити руки.