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

В табл. 46 [50] показана паясмость основных метал­ лов плат. Наиболее благоприятной для пайки является чистая медная поверхность. Некоторым недостатком ис­ пользования меди в печатных платах следует считать загрязнение ванны с припоем при пайке погружением или волной. Чрезмерное накопление меди в ванне с припоем может вызвать трудности в процессе пайки. Паяемость меди очень ухудшается, если в атмосфере и в таких упаковочных материалах, как газетная и обер­ точная бумага или картон, присутствует сера.

Золото, учитывая его высокую стоимость и химиче­ скую инертность, используется в покрытиях, толщина которых крайне малая. Качество тонкого покрытия, его равномерность, плотность, пористость, наличие раковин установить довольно трудно. До тех пор, пока не нала­ жен хороший контроль за процессом гальванического по­ крытия, возможна диффузия окружающих газов через золотое покрытие, под которым металл окисляется. След­ ствие этого — иесмачиваемость, устраняемая нелегко, поскольку в таком случае золотой слой необходимо сни­ мать с основного металла, а затем, чтобы достигнуть хо­ рошего смачивания, поверхность надо очистить химиче­ ским путем.

Золото легко и быстро растворяется в оловянНо-свин- цовых припоях и может полностью сойти с основного металла. Так как золото быстро растворяется, в припое образуются интерметаллические соединенияПри этом золото придает оловянно-свинцовым соединениям хруп­ кость. В результате растворения его в припое паяное соединение имеет матовую поверхность. По виду ее трудно отличить от холодной пайки, подлежащей бра­ ковке.

Загрязнение золотом жидкого припоя может серьез­ но осложнить процесс пайки. В соединениях сваркой оно используется с подслоем никеля или палладия.

Серебро, вследствие его склонности к миграции, ис­ пользуется' в качестве защитного покрытия в производ­ стве печатных плат значительно реже, чем это возмож­ но, а в заруоежной практике вообще не применяется. Загрязнение серебром ванны с припоем не столь опас­ но, как загрязнение другими элементами; присутствие этого металла в количестве до 2,5% влияния на свойст­ ва припоя не оказывает.

214

Т а б л и ц а 48 Результаты качественной оценки паяемости печатных плат

в зависимости от применения покрытия, осветлителей, флюсов и времени хранения

оловом

Сохранность серебряных поверхностен при длитель­ ном хранении целиком зависит от окружающей среды. Как и на медь, на серебро отрицательно влияет сера. Материалы для упаковки так же, как и среда, в которой они хранятся, не должны содержать серы.

При использовании химического осаждения олова на медь, если платы используются сразу, поверхность пая­ ется хорошо. Одна'ко она быстро теряет паяемость и да-, же наличие защитных покрытий не всегда позволяет долго ее сохранить. Поэтому использовать данный метод не рекомендуется. Гораздо лучше непокрытая медь.

Покрытие оловянисто-свинцовой пленкой осуществи­ мо либо с помощью электрохимического метода, либо погружения в расплавленный припой. Если поверхность обработана в расплаве правильно, она сохраняет хоро-

.шую паяемость в течение длительного времени хранения. Однако, если покрытие расплавленным припоем имеет толщину, очень малую, то в результате действия сил по­ верхностного натяжения трудно отличить поверхность, хорошо смоченную от несмоченной.

Когда припой наносится электрохимическим методом, возникают специфические проблемы. Припой может быть нанесен на поверхность, не совсем чистую, и при нагревании может ее не смачивать. Применение горя­ чей обработки после электрохимического осаждения дает возможность определить степень надежности сцеп­ ления гальванического покрытия поверхности оловяңи-

210

сто-свинцовой пленкой, так как сразу становятся видны участки, на которых осаждение происходило по загряз­ ненной поверхности. Оловянисто-свинцовое покрытие не загрязняет ванну с припоем. Хотя такое покрытие и не является самым дешевым, но оно, тем не менее, может быть рекомендовано для получения высокой надежно­ сти и однородности характеристик пайки.

Широкое распространение в технологии изготовления печатных плат получили оловянисто-свинцово-висмуто- вые покрытия, наносимые горячим способом. Однако практический опыт показал, что при длительном хране­ нии способность к пайке луженых поверхностей ухудша­ ется, а в ряде случаев вообще становится невозможной. Влияние некоторых химических реагентов на паяемость оловянисто-свинцово-висмутовых покрытий отражено в табл. 47 и рис. 56.

Результаты оценки паяемости металлизированных от­ верстий печатных плат, имеющих различные покрытия, приведены в табл. 48. Платы хранились в нормальных климатических условиях без упаковки. Паяемость оцени­ валась несколько раз в месяц в течение года по методи­ ке параграфа 4—6.

Высокая скорость окисления гальванических покры­ тий обусловлена не только их капиллярообразной по­ ристостью, но, главным образом, наличием в порах элек­ тролитов. При известных способах отмывки электролиты полностью не удаляются и ускоряют процесс окисления, вызывая потерю паяемости.

Если объективные методы контроля за состоянием поверхности металлопокрытий отсутствуют, на линию сборки узлов и блоков могут поступать платы, непри­ годные к пайке. Но удостовериться в том, что сопря­ гаемые поверхности вследствие окисления к пайке не го­ дятся, можно только после пайки при условии контроля за ее качеством.

Таким образом, брак, возникший в процессе пайки, и отнесенный за счет таковой, заложен фактически на опе­ рациях технологического процесса более ранних, а имен­ но на операции нанесения металлопокрытий. Предупре­ дить брак и обеспечить высокое качество пайки можно, используя различные пути:

I. Применять высокоактивные флюсы, но с тщатель­ ной их отмывкой.

217

II. Устранить причины брака до его появления, то есть до пайки, восстанавливая способность к ней с по­ мощью таких способов:

а) декапирования химически или гальванически на­ несенного серебра, меди, никеля и т. д.;

б) оплавления химических или гальванических оловянированных покрытий в глицерине, касторовом масле или флюсе (глицерин плюс 3-^-5% солянокислого диэтнламина), нагретых до 250 -4- 270° С;

в) горячего лужения в оловянно-свинцовых припоях с применением высокоактивных коррозионных флюсов при последующей тщательной отмывке их остатков;

г) удаления окислившихся металлопокрытий подтравливанием перед подачей плат на сборку и пайку.

Более экономичным и рациональным является третий способ — не восстановление поверхности металла, оки­ слившейся и потерявшей способность к пайке, а преду­ преждение окисления путем консервации на стадии из­ готовления печатных плат.

Консервирующие вещества — смеси спирто-канифоль­ ные, ацетоно-канифольные, полиэфирные смолы ПН-9 или ПН-56 наносятся методом окунания.

Требования, предъявляемые к консервирующим сос­ тавам, заключаются в следующем:

1.Необходимо, чтобы составы обладали в исходном состоянии жидкотекучестью, а с повышением температу­ ры до 100° С отверждались, образуя тонкослойное по­ крытие, желательно прозрачное, но влагозащитное и эластичное.

2.В жидком и твердом состоянии составы не дол­ жны снижать диэлектрической прочности диэлектрика и не вызывать коррозии в отношении металлов и сплавов.

3.При нагреве свыше 120° С составы должны иметь флюсующие свойства не ниже чем у канифоли.

4.Важно, чтобы в условиях складского хранения со­ ставы длительное время не теряли влагозащитных, анти­ коррозионных и флюсующих свойств.

5.Остатки после пайки должны быстро отвердевать.

6.Хорошая адгезия составов к металлическим и не­ металлически м материалам.

7.Пленки консервирующих веществ до и после пай­ ки должны легко растворяться в соответствующем раст­ ворителе.

218

Практика показала, что более рациональным покры­ тием является лак-флюс ФПэТ на основе полиэфирных смол ПН-9 или ПН-56, пленка которого (толщина 10— 20 мкм) на стадии длительного складского хранения, комплектации, транспортирования надежно защищает поверхность металла от окисления и загрязнения.

Заботясь о сохранении паяемостп печатных плат, нельзя забывать и о чистоте выводов радиоэлементов. Их также необходимо тщательно проверять. Вывод, смо­

5 - 3 . ПАЙКА ПЛАТ И ЗАЩИТА ПЕЧАТНЫХ ПРОВОДНИКОВ

После нанесения флюса плата подвергается пайке расплавленным припоем. В первый момент проводники отделены от расплавленного припоя слоем флюса, кото­ рый начинает интенсивно кипеть и испаряться, удаляя с проводников окислы. При этом часть флюса выходит на верхнюю сторону платы через отверстия, куда пропуще­ ны выводы радиодеталей. Через эти же отверстия выхо­ дят пары флюса. Затем его сплошной слой в нескольких местах разрывается, открывая доступ припоя к провод­ никам, и они в отдельных точках смачиваются припоем. После этого припой начинает быстро растекаться по проводникам, вытесняя флюс, пока не смочит все про- - водники. В случае быстрого отрыва жала паяльника от $-места пайки или быстрого подъема платы из ванны с

^припоем и недостаточного прогрева .проводников, обор­ вавшиеся наросты припоя застывают в виде конусов. Ко­ нусы имеют очень острые вершины — «сосульки», меша­ ющие дальнейшей обработке платы. С уменьшением ско­ рости отделения 'и когда прогрев проводников достаточ­ ный, припой, оставшийся на плате после обрыва стол­ бика, принимает сферическую форму.

Лучшее средство предупреждения образования «со­ сулек» — медленный и плавный подъем пла'ты, нужный

219

прогрев проводников и требуемое количество флюса. Оп­ тимальное выполнение этих условий определяется экспе­ риментально в процессе отработки технологического ре­ жима пайки.

При пайке погружением и волной припоя не только опаиваются все -монтажные соединения, но и обслужи­ ваются все печатные проводники между ними, представ­ ляющие собой печатную схему. Между тем в обслужи­ вании этих проводников нет необходимости. В результа­ те увеличивается расход припоя, возникает возможность образования его мостиков между соседними облуженными проводниками, если они расположены достаточно близко друг к другу. .

Существующие средства защиты печатных проводни­ ков, не подлежащих пайке, в зависимости от характера обслуживания делятся на две группы: 1) маски или трафареты; 2) защитные покрытия.

Диаметр отверстия в масках обычно на 1—2 мм боль­ ше диаметра монтажного соединения. Особенность ме­ таллических масок привела к тому, что в производстве они не применяются. Вместо таких масок используются бумажные. В обычном листе бумаги, соответственно расположению монтажных соединений на плате, выруба­ ются отверстия. Маска приклеивается к плате декстри­ новым клеем, а затем покрывается флюсом и погружа­ ется в расплавленный припой. Подтекания флюса и при­ поя под маску в этом случае не происходит, но после пайки плату нужно отмывать от бумаги, к ней приклеен­ ной. Такая операция является весьма трудоемкой, вслед­ ствие чего данный способ защиты печатных проводников от обслуживания широкого распространения не получил. Значительно лучше накладывать маску на плату без приклейки и флюсовать плату вместе с маской флюсом, содержащим канифоль. Флюс пропитывает маску и при­ клеивает ее к плате почти так же прочно, как и клей. В таком случае смывка маски менее трудоемка. Бумаж­ ные маски дают хорошее качество пайки, прекрасно за­ щищают печатные проводники от обслуживания. Но в производстве они неудобны. Эти маски выдерживают только одно погружение, то есть для каждой платы нуж­ на своя маска, которая после пайки оказывается негод­ ной. Операция совмещения бумажной маски с платой требует внимания и по своему характеру достаточно тру-

220

доѳмкая. Механизировать операцию совмещения маски с платой практически невозможно.

Усложнение технологических процессов пайки с бу­ мажной маской и недолговечность маски вызвали необ­ ходимость поиска материалов, выдерживающих значи­ тельное число погружений в припой и отвечающих тре­ бованиям пайки плат. В качестве такой маски можно применять, лакоткань, фторопласт, стеклолакоткань. Маска из лакоткани, например, способна выдержать 30—40 погружений, а их фторопласта — 1000. Но маска из фторопласта при погружении в припой нагревается и размягчается, провисая на выходе платы из ванны. При этом, чем больше размер, маски, тем больше она прови­ сает, в результате чего на плате появляются значитель­ ные наплывы припоя, и облуживаются проводники, не подлежащие пайке. Маска из стеклолакоткани ЛСК-7 подобным недостатком не обладает. Ее можно считать лучшим материалом для сменной маски.

Недостаток способа защиты путем использования маски — обязательное наличие сменной маски и покры­ тие платы лаком после пайки. Вот почему в промышлен­ ности, наряду с масками, применяются защитные покры­

без разрушения и отслаивания, защищает печатные про­ водники от окисления, обладает хорошими диэлектриче­ скими свойствами, придает плате красивый внешний вид

ине изменяет своих качеств под воздействием флюса и расплавленного припоя.

Защитные покрытия наносятся в процессе изготов­ ления платы. Поэтому технологический процесс пайки резко упрощается (так как из него исключаются опера­ ции по защите проводников от облуживания) и состоит лишь из двух необходимых операций: нанесение флюса

ипайки, не считая операции по закладке платы в при­ способление, и съема запаянной платы.

Защитные покрытия на основе эпоксидной смолы по­ лучили в производстве широкое распространение, причем их применение более целесообразно, чем масок.

221

Однако в процессе горячего лужения н папки, вслед­ ствие разных коэффициентов линейного расширения ме­ ди и эпоксидной маски, в ней образуются микротрещи­ ны. В трещинах накапливаются трудно удаляемые хими­ ческие загрязнения, которые во влажной среде значи­ тельно изменяют диэлектрические характеристики пла­ ты.

Создание масок путем пассивации медных проводни­

технология очень прогрессивна, поскольку медь при об­ работке в растворах бихромата натрия или калия теря­ ет способность к пайке даже с самыми активными флю­ сами. В то же время использование универсальной крас­ ки, обладающей защитными свойствами при травлении, консервирующими — при хранении и флюсующими — при пайке упрощает процесс изготовления плат и их под­ готовки к пайке.

5 — 4. РЕЖИМЫ ПАЙКИ

ИТРЕБОВАНИЯ К ПЕЧАТНЫМ ПЛАТАМ

Впроцессе формирования паяного соединения, поми­ мо таких факторов как чистота проводников, свойство припоя и флюса, большая роль принадлежит температу­ ре расплавленного припоя и времени пайки.

Оптимальный выбор температуры и времени пайки

диктуется условиями сохранения работоспособности электрорадиоэлементов печатной схемы и получения вы­ соконадежной металлургической связи в паяном соедине­ нии.

Перегрев полупроводниковых приборов при пайке связан с опасностью необратимого изменения парамет­ ров или полным выходом их из строя. Для ряда элемен­ тов термоудар в процессе пайки угрожает деталям кон­ струкции и местам их соединения. Исследованиями ус­ тановлено, что изменение температуры пайки на каж­ дые 20° С в сторону увеличения Или уменьшения обу­ славливает изменение температуры на выводе от 5 до 12° С и на кристалле от 2 до 7° С. Графики температуры нагрева полупроводниковых приборов, в зависимости от

222