Справочник по пайке

Как следует из табл. 13, первые паяльные пасты для низкотемпературной пайки в качест­ ве адгезивно-флюсующей композиции обычно содержали известный флюс, например на осно­ ве канифоли, активированной хлоридами ме­ таллов (см. табл. 13, пасты № 1; 6). Необходи­ мая реологическая вязкость пасты достигалась введением в состав флюса таких ингредиентов, как крахмал, декстрин, воск, ланолин и т.п. Существенным моментом развития данной технологии оказалась возможность изготовле­ ния сложных многокомпонентных порошков для паст путем предварительного смешения отдельных порошкообразных составляющих (табл. 13, паста № 8) с образованием припоя в процессе контактно-реакционного плавления этой смеси. Известно и использование компо­ зитных паяльных паст, состоящих из основного припоя и более высокотемпературного напол­ нителя (например, ВПр11-40Н), обеспечиваю­ щего удержание основного припоя от вытека­ ния из некапиллярных зазоров, и т.п.

Флюсосодержащие композиции на основе канифоли, активированной хлоридами, даже при условии их надлежащего хранения оказы­ вались недолговечными, быстро теряли флю­ сующие свойства, вызывая сильное окисление порошковой составляющей. При этом резко сокращался срок производственного хранения даже в контролируемых условиях, а остатки флюса плохо удалялись промывкой в воде и органических растворителях, что способство­ вало развитию электрохимической коррозии.

Такие пасты использовались только в конст­ рукционной пайке и совершенно не применя­ лись в производстве радиоэлектронной аппара­ туры. Дисперсность паст находилась в преде­ лах 10 200 мкм; реологические свойства паст не обладали способностью к прецезионному дозированию, легко растекались по паяе­ мой поверхности и не позволяли осуществлять пайку в потолочном положении. Содержание порошкового припоя в них не превышало 80 %; в итоге эти пасты образовывали большое коли­ чество остатков, осфбенно в труднодоступных местах, затрудняя их гарантированное удаление.

Прогресс развития электронной индуст­ рии в начале 1980-х гг. поставил специфиче­ скую задачу разработки двух типов принципи­ ально новых композиций флюсов и паяльных паст: с неудаляемыми полимеризующимися остатками флюсующей композиции и с остатка­ ми, гарантированно удаляющимися в воде по самой элементарной технологии. Принципиаль­ ное значение при этом приобрела «системность» или взаимозависимость и совместимость целой группы последовательно используемых в техно­ логии органических материалов.

СИСТЕМНЫЕ ФЛЮСЫ И ПАЯЛЬНЫЕ ПАСТЫ ДЛЯ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ

Современная печатная плата, изготовлен­ ная из специального диэлектрика, имеет сетку медных проводников, закрытых полимерной защитной пленкой, называемой «солдерма-

ской». Маска защищает токонесущие провод­ ники от воздействия расплавленного припоя и имеет специальные топологические окна, вскрытые над контактными площадками, к которым должны быть припаяны поверхност- но-монтируемые ингредиенты (ПМИ). Платы характеризуются довольно высокой плотностью монтажа: на 1 см2 поверхности может находить­ ся более 20 открытых контактных площадок с установленными на них ПМИ; при этом рас­ стояния между соседними токоведущими про­

Естественно, изделия с подобной плотностью паяных соединений чрезвычайно трудно под­ даются примитивному отмыванию остатков флюса, которые во влажной атмосфере резко снижают сопротивление изоляции между про­ водниками, вызывая короткие замыкания или электрический пробой даже без видимых при­ знаков электрохимической коррозии. Поэтому главной технической проблемой современной электроники стала проблема создания флюсов и композиций, остатки которых образовывали бы на поверхности гидрофобную электроизо­ ляционную полимерную пленку с достаточно высоким эстетическим качеством.

Поскольку в процессе нагрева и пайки флюс стекает с выступающих элементов и от­ тесняется расплавом припоя на периферию соединений, остающаяся полимерная пленка не может выполнять роль общего влагозащитного покрытия, в связи с чем в необходимых случа­ ях изделия дополнительно покрывают влаго­ защитным лаком. При неудаляемых остатках флюса лак непосредственно наносится на ос­ тавляемую пленку флюса. В некоторых типах изделий специального назначения печатные платы, после их установки в обрамляющий корпус, дополнительно заливаются специаль­ ными органическими компаундами, защи­ щающими электросхему от внешних механиче­ ских воздействий. Перед заливкой компаун­ дом, а иногда и перед лакировкой отдельные крупногабаритные и металлоемкие элементы дополнительно крепятся специальными орга­ ническими клеями, адгезивами и клеящими скотчами, обеспечивающими устойчивость при знакопеременных и вибрационных нагрузках. В химико-технологическом аспекте готовое изделие представляет собой «слоеный ком­ плекс», не допускающий не только его механи­ ческих нарушений, но и возможность его газо- и влагопроницаемости в ряду: диэлектрик - солдермаска - остающаяся пленка остатков

флюса - адгезивы - влагозащитный лак - ком­ паунд [19]. Само понятие «системность» озна­ чает взаимозависимость молекулярной струк­ туры каждого элемента этого «комплекса». При этом в химическом отношении каждый из этих материалов должен являться кинетически устойчивым к различного рода воздействиям внешней среды.

Одним из возможных вариантов решения этой задачи является получение в виде конеч­ ного продукта полиамидного покрытия на ос­ нове природных или синтетических смол [20]. Поликонденсаты этих смол могут обеспечить качество паяных соединений только на мате­ риалах, обладающих хорошей паяемостью. По­ этому также требуется и создание эффективных флюсов для труднопаяемых материалов с гаран­ тированно удаляемыми остатками в воде с це­ лью обеспечения производственной и экологи­ ческой безопасности финишных операций.

Существует ряд способов «активации» ка­ нифоли, приводящих к образованию высокомо­ лекулярного продукта. Не принимая во внима­ ние гидроксильную группу и полагая, что кани­ фоль является простой а-аминокислотой, реак­ ция поликонденсации биполярных ионов соот­ ветствует, как указано выше, образованию полипептида с повторяющейся группировкой и атактической (указанной стрелкой) конфигура­ цией протона на азоте:

НО

I \ II

- N - R ^ - N -R o -

Н

Если расплав канифоли термически дис­ социирован по биполярной схеме, то для ли­ нейной поликонденсации цепи в простейшем случае в качестве «активатора» можно исполь­ зовать либо другую аминокислоту, либо гидроксиламин. Полагая, что в реакции биполярного иона с оксидом меди отделяется водород ами­ ногруппы

Cu20 + 2NH3RoCOO" = гШ ^ С О О С и + Си+,

а образующаяся при этом соль диссоциирует в процессе нагрева по схеме

NH2R0COOCU^ = N H ^C O C r + Cu+,

то, опустив для простоты изложения бимоле­ кулярный характер реакции в параллельных цепях и полагая, что на восстановление оксида от одной молекулы отделяется один протон,

«бесконечная» схема бимолекулярной поли­ конденсации примет вид:

/...\ ..................... ! /

нj н! ;о н

гидроксиламин

или:

О

\ v II

N-R J-N -R Q-C -N -R ,-ОН

НН !—► OOCRQHJN

Анион продукта реакции канифоли с ок­ сидом присоединяется к «потерявшему» свои протоны атому азота гидроксиламина. Ионы меди осаждаются на паяемом металле, т.е. на меди. Если же процесс развивается по основно­ му кислотному механизму с уходящим на вос­ становление оксида протоном карбоксила, то

ИЛИ

N-Rj-N-Ro-C-O-Ri-N

/ U OOCRoHzN4H

в итоге реакции ничего не меняется по сравне­ нию с предыдущим случаем.

Если вернуться к флюсам из табл. 8 и 12, то можно увидеть, что ни одного флюса, по­ добного рассмотренному варианту, нет! В лучшем случае есть попытки использовать оксикислоту (см. табл. 12, ФКТС) или двухос­ новную кислоту (см. табл. 9, флюс № Г4) в рас­ чете на термоактивированный отрыв ОН-группы от карбоксила. Однако стабильной реакции при этом получить невозможно.

Использование готовой полиэфирной смолы в соответствующем растворителе (табл. 11, флюс № 2) - казалось бы, понятное и пра­ вильное решение, однако полиэфиры .весьма подвержены пиролизу (обугливанию) остатков; в итоге паяные соединения имеют крайне неэс­ тетичный вид. Эти флюсы хороши для меж­ операционной защиты изделий (плат) от окис­ ления контактных площадок. Новые системные флюсы, представленные в табл. 14, в сущности построены по стереобимолекулярной схеме [21], исключающей газо- и влагопроницаемость внутри самой пленки остатков. В целях повы-

№ Марка п/п флюса

3

ФПС-6 НПБ

4 ФПС-8

5

ФПС-8 ЛО

6 ФПС-10

ПС 7 ПОС-61

«К »

ПС 8 ПОСВ-45

«К»*

Полиамин Глицедол

Паяльная паста с водо­ смываемыми остатками на основе сверхпластич­

130280 ного припоя ПОСВ-45А* для монтажной и конст­ рукционной пайки в радиоэлектронике

Водосмываемые паяль­

130280 ные пасты с улучшенной реологией композиции

Водосмываемая

-паяльная паста для радиоэлектроники

шения термостойкости они содержат кинетиче­ ски устойчивые ароматические соединения.

Поскольку рассмотренная выше схема «активации» канифоли является термически поликонденсационной, флюсы ФПС с индек­ сом «К» не могут в полной мере использовать­

ся для ручной пайки, ремонта и доработки ап­ паратуры, т.е. в техпроцессах с местным нагре­ вом и произвольно растекающимся флюсом. В этом случае используются флюсы ФПС с индексами «НП» или «НПБ», конденсирующие­ ся при комнатной температуре. Время конден-

растворенная в летучих растворителях или в их азеотропных (неразделяющихся) смесях. Все флюсы марок ФПС имеют сопротивление изо­ ляции остатков при температурах до +80 °С не ниже Ю10 Ом мм (10м Ом см.) (рис. 1). Со­ противление изоляции остающейся пленки флюсов, измеренное в гигростате при +30 °С и относительной влажности 95 %, составляет 0,6 Ю10 Ом • мм. Следует отметить, что сопро­ тивление изоляции чистой печатной платы в гигростате составляет 104 Ом • см, а требуемое схемотехническое значение должно быть не ниже 107 Ом см, поэтому печатные платы в условиях повышенной влажности без дополни­ тельной влагозащиты использоваться не могут.

Синтез водосмываемых композиций су­ щественно не отличается от схемы синтеза неудаляемых композиций, с той лишь разни­ цей, что основными ингредиентами являются оксипроизводные углеводородные соединения. Для перевода продуктов реакции в водораство­ римые аквакомплексы в них используется эле­ ментоорганический комплексообразователь.

Паяльные пасты «системного» типа по­ строены по тем же принципам, что и флюсы, поэтому они существенно отличаются от па­ яльных паст, представленных в табл. 12. Со­

Рис. 1. Температурно-временнйя зависимость сопротивления изоляции остающихся пленок флюсов и композиций паяльной пасты:

1- Ф П С -6,4 ч после пайки; 2 - ФПС-6, через трое суток; 3 - ФПС-6НП , 4 ч после пайки;

4 - ФПС-6НП, через трое суток; 5 - ФПС-6НПБ, 4 ч после пайки; 6 - ФПС-6НПБ, через трое суток; 7 - композиция пасты «К» после пайки;

8 - композиция пасты «К» через трое суток

дисперсные системы со специальной реологи­ ей. Основное значение в их композиции имеет так называемая «обратимая связнодисперсность» или тиксотропность (сохранение формы отпечатка после нанесения). Пасты условно делятся на мягкие и жесткие. Первые, иногда называемые «кремами», приготавливаются на гелеподобных органических композициях, имеющих низкие адгезионные и внутренние когезионные связи, однако их контролируемая вязкость может достигать 4000 Па • с. Жесткие пасты имеют высокие адгезионные свойства

ки наносятся труднее. Этот тип паст предна­ значен главным образом для одновременной установки ЭРИ в отверстия платы и ПМИ на контактные площадки с осуществлением про­ цесса оплавления (пайки), в котором ПМИ находятся в потолочном положении, а элемен­

форму - сферическую и несферическую, что принципиального значения не имеет. Нанесе­ ние паст осуществляется методами сеткогра­ фической (для конструкционной пайки) и тра­ фаретной печати, а также с помощью пневмо­ дозаторов. В последнем случае сферическая форма частиц является предпочтительной, если диаметр выходного наконечника менее 0,8 мм.

Паяльные пасты с неудаляемыми остат­ ками при повторном нагреве позволяют осуще­ ствлять подпайку случайно не оплавленных соединений без дополнительного нанесения флюса. Водосмываемые композиции повторной пайке без использования специального совмес­ тимого с остатками пасты флюса (ФПС-8) не подлежат. Неудаляемые композиции паст при ремонте, доработке и дополнительной установке настроечных элементов также требуют приме­ нения совместимого флюса (ФПС-6НП). В про­ тивном случае произвольно используемый, тоже неудаляемый, флюс может необратимым образом повлиять на характеристики остатков пасты и их химическую устойчивость.

Различные пасты требуют и различных режимов оплавления. В особенности это каса­ ется водосмываемых паст. Типовой режим оплавления (рис. 2): предварительный подог­

Компоненты флюса

Канифоль, этиловый спирт

Канифоль, хлористый цинк, хлористый аммоний, этило­ вый спирт

Канифоль, гидразин соля­ нокислый, глицерин, этило­ вый спирт

Стеарин, канифоль, хлори­ стый цинк, нашатырь, вазе­ лин, вода

Флюсы типа ЗИЛ-1, ЗИЛ-2

Способ приготовления

Измельченную канифоль растворяют в этиловом спирте

Все компоненты растворяют в спирте.

После отстаивания в течение 24 ч жидкость осторожно сливают

В спирте последовательно растворяют канифоль, гидразин и глицерин

Приготовляют водный раствор хлористого цинка с нашатырем, к которому добавляют смесь стеарина с измельченной канифолью. В этот раствор добавляют вазелин и перемешивают

Отдельно приготовляют растворы хлоридов цинка, калия, аммо­ ния и раствор двухлористого олова в соляной кислоте. В по­ следний вливают горячую воду. В раствор хлористого цинка последовательно добавляют растворы хлоридов

Триэтаноламин, фторбораты тяжелых металлов и аммония

Триэтаноламин разливают в фарфоровую посуду по числу ком­ понентов. В каждую порцию триэтаноламина добавляют соот­ ветствующий компонент, затем все порции сливают вместе, пе­ ремешивают и готовый флюс хранят в стеклянной посуде

Органические флюсы в связи с их пожа­ роопасностью хранят в полиэтиленовой таре. Флюсы, содержащие хлористый цинк или на­ шатырь, следует хранить в металлической таре. Если к этим реагентам добавлены хлориды тяжелых металлов, то их хранят в стеклянной или керамической посуде. Хлоридные флюсы используют в виде растворов или паст. На паяемую поверхность их наносят кистью или погружением детали в раствор флюса. Кани­ фольные и другие органические флюсы также применяют в виде растворов или паст. На паяемые материалы их наносят кистью, погру­ жением, шприц-дозаторами, валиком, вспени­ вающими устройствами и распылением.

ГАЗОВЫЕ СРЕДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПАЙКЕ

Недостатки флюсовой пайки привели к созданию более эффективных способов удале­ ния окисной пленки с металла в процессе пайки. С этой целью применяется пайка в газовых сре­ дах, которая имеет следующие преимущества:

-получение более качественного соеди­

нения;

-повышение производительности про­

цесса;

-уменьшение коробления вследствие равномерного нагрева изделия;

-доступность контроля температуры пайки и времени выдержки в печи;

-возможность автоматизации и механи­

зации технологического процесса; - отсутствие необходимости в очистке

деталей после пайки от остатков флюса.

Для пайки применяют восстановитель­ ные, инертные, активированные газовые среды, а также вакуум.

Восстановительные газовые среды

Наиболее высокие восстановительные свойства имеет водород. Однако вследствие взрывоопасности его применение ограничено. Чистый водород применяют при пайке высоко­ легированных сталей в печах небольшого объ­ ема. Целесообразнее применять водород в сме­ си с азотом. При содержании водорода менее 10 % его смесь с азотом невзрывоопасна. Перед употреблением азотоводородную смесь очи­ щают от примесей кислорода и паров воды.

Большое распространение в качестве вос­ становительной газовой среды при пайке полу­ чил диссоциированный аммиак, который при

нагреве до 600 °С в присутствии катализатора (окислы железа) разлагается на водород и азот в соотношении 75 и 25 % по объему соответст­ венно. Благодаря высокому содержанию водо­ рода полученная смесь газов восстанавливает окислы металлов при пайке не только низколе­ гированных сталей, но и сталей и сплавов, со­ держащих легкоокисляющиеся элементы, та­ кие, как хром, марганец, кремний [1]. При этом азотоводородная смесь не должна содержать паров воды и недиссоциированного аммиака, наличие которых приводит к обезуглерожива­ нию поверхности сталей.

Недостатком диссоциированного аммиа­ ка является его взрывоопасность. Для получе­ ния газовой смеси с меньшим содержанием водорода производят частичное сжигание дис­ социированного аммиака или добавляют в смесь азот.

Кроме рассмотренных восстановитель­ ных газов при пайке применяют газовые смеси более сложного состава, полученные путем полного или частичного сжигания углеводо­ родных газов, образующих так называемые эндотермические и экзотермические атмосфе­ ры [24]. В ряде случаев для пайки могут быть использованы генераторные газы, получаемые из твердых горючих материалов. Основные сведения о восстановительных газах, исполь­ зуемых при пайке, приведены в табл. 16 [24].

Взаимодействие водорода и окиси угле­ рода с окислами металлов происходит по реак­ циям:

— МемО„ + Н 2 = — Me + Н 20 ,

пп

-Мет О„ + СО = — Me + С 0 2

пп

Термодинамический анализ этих реакций

[16]показывает:

-с повышением температуры восстано­ вительные свойства водорода повышаются, а окиси углерода снижаются. До температуры

810 °С более активным восстановителем явля­ ется окись углерода, выше этой температуры - водород;

- при температуре пайки эти газы восста­ навливают окислы Ag, Cd, Со, Си, Ge, Fe, Mo, Ni, Sb, Sn и Pb. В сплавах стойкость окисной пленки зависит от ее химического состава. Практика показала, что в восстановительной атмосфере можно успешно паять лишь низко­ углеродистые и иногда легированные стали;

Газовая среда (условное обозначение)

Водород

Диссоциированный

аммиак

Продукт неполного сжигания аммиака

Генераторный древесноугольный газ (ГГ-С)

Генераторный древесноугольный газ (ГГ-ВО)

Продукт частичного сжигания углеводо­ родных газов - экзогаз (ПСО-06)

Продукт частичного сжигания углеводо­ родных газов - экзогаз (ПСО-09)

Продукт частичного сжигания углеводо­ родных газов - экзогаз (ПСС-Э)

Эндогаз с частичным сжиганием (КГ-В0)

- на восстановительные свойства газов сильное влияние оказывают влага, примеси кислорода и двуокиси углерода. Тщательная очистка водорода и окиси углерода от влаги, углекислого газа и кислорода значительно по­ вышает активность газов.

Пайку в указанных средах производят преимущественно медью при температуре

1120 1150 °С. Для пайки при более низкой температуре медно-цинковыми и другими припоями необходимо дополнительное флюсо­ вание, что осуществляется обычно смачивани­ ем места пайки раствором флюса с последую­ щей сушкой. При этом возможна пайка при температуре 900 950 °С даже легированных сталей.