книги из ГПНТБ / Федоров А.М. Основы контроля печатных схем

5 — 1. ФЛЮСЫ И ПРИПОИ ДЛЯ ПАЙКИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Металлизированные поверхности печатных плат (проводники, контактные площадки, отверстия) и вы­ воды радиодеталей легко окисляются под действием кислорода воздуха. Наличие окисной пленки на сопря­ гаемых поверхностях и на расплавленном припое пре­ пятствует взаимодействию между ними.

При нагреве деталей в процессе пайки окисление по­ верхностей увеличивается. Это может привести к тому, что пайка окажется невозможной.

разном состоянии.

Требования, предъявляемые к флюсам, заключают­ ся в том, что они должны наноситься на паяемые дета­ ли до нагрева и предотвращать в процессе пайки окисле­ ние паяемого металла.

Поскольку процесс смачивания паяемых поверхнос­ тей припоем зависит от величины поверхностного натя­ жения на границе раздела флюс—припой, то флюс должен уменьшать поверхностное натяжение припоя, уменьшая тем самым краевой угол.

Обычно в производственных условиях паяемый ме­ талл всегда покрыт пленкой окисла, жира, масла. Для осуществления пайки флюс должен растворить эти включения. Вместе с тем, чтобы обеспечить затекание припоя в зазоры, флюс должен хорошо растекаться по

бенностями процесса пайки печатных схем. Остатки флюса на печатных платах, чтобы не допустить корро­ зии проводников, иногда смывают. Однако при пайке пе­ чатных схем неизбежен выход флюса на верхнюю сто­ рону платы, где расположены радиодетали и откуда его затруднительно смыть. В связи с этим при пайке плат рекомендуется применять нейтральный флюс. Такая ре­ комендация предусматривает возможность сохранения на печатной плате, остатков флюса. Если его остатки будут-

*0$

электропроводными, то они могут нарушить работу ра­ диоаппаратуры. Поэтому в сухом виде флюс не должен быть электропроводным и влиять на изоляционные свой­ ства основания платы. Поскольку радиоаппаратура мо­ жет работать в условиях влажности, то остатки флюса на плате должны быть негигроскопичны.

Кроме того, флюс, остающийся на плате, должен со­ хранять свои антикоррозионные и диэлектрические свойства в интервале температур от —40 до +80° С.

Флюсы не удаляют посторонние вещества органичес­ кого и неорганического характера, например, пленки жирового происхождения, загрязнения, остатки лако­ красочных покрытий и т. п. [80]. В процессе пайки эти вещества препятствуют смачиванию основного металла флюсом и припоем, вызывают непропаи, ухудшающие ка­ чество паяных соединений. Обработкой плат перед пай­ кой химическим или механическим путем удаляются все посторонние вещества.

Поскольку толщина окисной пленки на поверхнос­ тях, подготовленных к пайке, составляет несколько мик­

при капиллярной пайке флюс обычно заполняет зазоры порядка 0,1—0,2 мм, то большое значение в этих усло­ виях имеет равномерность нагрева соединяемых поверх­ ностей. В случае недогрева воздействие флюса снижает­ ся и окисная пленка сохраняется, что вызывает непро­ пай.

С точки зрения качественной пайки флюс не должен содержать в расплавленном состоянии твердых частиц, а также образовывать их в процессе флюсования, так как это будет препятствовать затеканию его в зазор и вытес­ нению из зазора припоем. Решающее влияние на элек­

лее 0,5%.

В технике почти нет флюсов, которые одновременно отвечали бы всем перечисленным требованиям. Поэто­ му флюс для пайки печатных схем приходится выбирать в каждом отдельном случае, учитывая конкретные осо­ бенности и требования производства и конструкции ра­ диоаппаратуры,

Щ

Свойства флюса Изучают обычно по его действию В процессе пайки, по качеству получаемых паяных соеди­ нений. При этом используется обобщенное свойство

рять и удалять окислы в ходе пайки, уменьшать поверх­ ностное натяжение расплавленного припоя.

Замерять и выражать активность флюса в количест­ венных единицах практически невозможно. Но получить представление об активности можно во время проведе­ ния экспериментов, касающихся проверки растекаемости припоя методом капиллярного подъема, а также ме­ тодом замера площади, занятой растекшимся припоем

[82].

Оценка активности флюса относительна и до неко­ торой степени субъективна. Аналогично активности флюса вводится оценка его влияния на работу схемы, обобщаются электроизоляционные и гигроскопические свойства флюса.

Если флюс неэлектропроводен и негигроскопичен, то, как считают, он не нарушает работу схемы. Влияние флюса на эту работу оценивают обычно на основании результатов измерения сопротивления изоляции и тан­ генса угла потерь на пластинке фольгированного ди­ электрика, покрытого слоем флюса. Образец, представ­ ляющий собой изоляционную пластинку с двумя полос­ ками медной фольги, нанесенными на нее, смачивается исследуемым флюсом и погружается в расплавленный припой, температура которого 250° С, на 5 с. Далее на образце измеряется сопротивление изоляции между медными полосками. После этого он подвергается суш­ ке до высыхания остатков флюса, замеряются сопротив­

генс угла диэлектрических потерь. Одновременно в тех же условиях проводятся измерения на образцах, не смоченных флюсом. Если диэлектрические свойства' об­ разца, смоченного флюсом, оказываются такими же, как и у чистого, это -свидетельствует о том, что остатки флюса на плате не вызывают нарушения работы схемы.

203

Иногда аналогичные испытания осуществляются без погружения образца в припой, ограничиваясь естествен­

нии, в том числе и печатных плат, применяют десятки флюсов, различных по своему составу. Их можно разде­ лить на три группы: органические на основе канифоли, органические бесканифольные и смешанные.

Флюсы на основе канифольных органических соеди­ нений не являются при комнатной температуре электро­ литами, а выделяют кислотную часть в процессе нагре­ ва, взаимодействуя с окислами. При охлаждении остат­

Данный флюс требует тщательной подготовки паяе­ мых деталей, коррозии проводников из меди он не вы­ зывает. Введение в состав ФКСп некоторых веществ, например анилина солянокислого, триэтаноламина, гли­ церина, салициловой кислоты, увеличивает его актив­ ность до 1,5—3 с. С повышением флюсующей способ­ ности флюс становится активным и вызывает значитель­ ное изменение сопротивления изоляции платы. Это обу­ славливает необходимость более тщательной отмывки и даже контроля изоляции. Остатки канифоли после пай­ ки вызывают образование грибков, отслоение, вспучива­ ние, трещины во влагозащитных покрытиях из лаков УР-231, Э-4100 и др..

Флюс ФПэТ:

Смола полиэфирная ПН-9 (ТУП—416—63)

или ПН-56 (ТУП-567—68) . . . . 20—30%;

Этилацетат или метилэтилкетон . ,. . 80—70%;

204

проводников и снижения сопротивления изоляции плат.

Флюс хорошо смачивает обезжиренные поверхности, остатки флюса коррозии не вызывают, но оказывают влияние на сопротивление изоляции во влажной среде. Это, естественно, требует хорошей отмывки. Флюс очень быстро сохнет.

Чтобы производительность процессов и качество пай­ ки были высокими, целесообразно применять не слабые спирто-канифольные флюсы, а высокоактивные. Но до­ стижение показателей, о которых идет речь при мон­ таже, еще не гарантирует надежности паяных соедине­ ний в период эксплуатации [85]. С повышением активно­ сти флюсов их коррозионная агрессивность до пайки и остатков [82] после нее возрастает. Только за счет пол-, ного и контролируемого удаления остатков флюсов мож­ но предотвратить их последствия. Тщательность приго­ товления и регулярный контроль составляющих компо­ нентов флюсов в ходе их использования благоприятству­ ют созданию качественных паяных соединений.

Припои, используемые для пайки плат, изготавли­ ваются из олова и свинца с добавлением висмута и кад­ мия. Известно [79, 81, 84], что если изменйть содержа­ ние составляющих компонентов, то изменятся и темпера­ тура плавления, электрическое сопротивление, а также прочность припоев.

Получение в процессе паяния качественных паяных соединений связано с выполнением следующих техноло­ гических требований:

205

1.Температура плавления припоя должна быть меньше температуры плавления паяемого металла;

2.В расплавленном состоянии припой должен хоро­ шо смачивать паяемый металл и не растворять защит­ ного покрытия проводников.

3.Важно, чтобы в расплавленном состоянии (при температуре паяния) припой обладал высокой жидкоте­ кучестью и высоким капиллярным свойством. Это необ­ ходимо для заполнения зазоров между спаиваемыми по­ верхностями деталей;

4.Температурный коэффициент расширения припоя не.должен резко отличаться от температурного коэффи­ циента расширения соединяемых металлов.

Характеристики оловянно-свинцовых припоев (ГОСТ 1499—70) в зависимости от их состава приведены в табл. 44.

В процессе контроля припоев анализируется их хи­ мический состав, причем внимание обращается на лик­ вацию (местное неравномерное распределение олова и свинца), а также на посторонние включения. О влиянии, оказываемом посторонними металлами на свойства оло­ вянно-свинцовых припоев, дает представление табл. 45.

Итак, выбор припоя для пайки печатных схем прак­ тически ограничивается оловянно-свинцовыми припоями, свойства которых удовлетворяют требованиям пайки схем.

Одна из характерных особенностей оловянно-свинцо­ вых припоев — их кристаллизация в интервале темпера­ тур, весьма малом, что определяет высокую жидкотеку­ честь припоев. Особенно высокой жидкотекучестью обла­ дает припой эвтектического состава, который ■содержит около 62% олова и кристаллизуется при постоянной тем­

пературе (примерно 183° С). Именно этот припой (ПОС-61) преимущественно применяется для пайки пе­ чатных схем.

Основной характеристикой припоя является растекаемость. Для оценки ее в некоторых случаях принимается величина площади, покрываемой припоем, при нагреве определенного его количества до заданной температуры. Взвешенное количество припоя в виде таблетки помеща­ ется в центре прямоугольной медной пластинки, лежа­ щей на плите, подвешенной на пружинах. Когда эксцент­ рик поворачивается, плита поднимается, таблетка при-

206

жимается к нагретому паяльнику, диаметр нихромового наконечника которого такой же, как и таблетки припоя. Температура наконечника паяльника измеряется термо­ парой, помещенной в нем. Под действием тепла, выделя­ емого наконечником, припой плавится и растекается по поверхности медной пластинки.

Площадь, занятая растекшимся припоем, определя­ ется методами планиметрии. Применяя при этом раз­ личныефлюсы при одной и той же температуре, можно судить также об нх свойствах.

В результате того, что удельный вес свинца и олова в ваннах с оловянно-свинцовыми припоями неодинако­ вый (при отсутствии перемешивания и в установившемся температурном режиме), наблюдается их ликвация по удельному весу. Наличие перепада температуры между дном ванны и зеркалом припоя на поверхности приво­ дит к тому, что припой более богатый свинцом, имеющий большую температуру плавления и больший удельный вес, остается на дне, а верхние слои ванны обогащаются оловом. Печатные платы, погружаемые в ванну, обслу­ живаются и паяются обычно в верхних ее слоях, вслед­ ствие чего средний состав припоя обедняется оловом и обогащается свинцом. Унос платами олова изменяет свойства остающегося припоя.

Для корректировки состава ванны раз в сутки, пос­ ле тщательного перемешивания, выполняется химиче­ ский анализ припоя на содержание олова или определя­ ется его наличие по удельному весу припоя. В отноше­ нии сплавов Sn — Рв с содержанием 20—60% Sn, удель­

В случае необходимости в ванну вводят недостающее количество олова или заменяют припой-на новый.

5 —2. СОХРАНЕНИЕ ПАЯЕМОСТИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

В процессе изготовления печатных плат применяют различные покрытия металлами, наносимые химическим или гальваническим путем, горячим лужением и. други­ ми способами, •

209