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

расстояния до места пайки и времени пайки приведены на рис, 57, 58 [88].

Процесс образования высоконадежной металлургиче­ ской связи в паяном соединении может иметь место только при условии:

1.Создания мелкозернистой блестящей структуры припоя;

2.Отсутствия газовых включений;

3.Строгого термодинамического контроля. Соединения, блестящие на вид, получаются в слу­

чае, если припой не содержит газовых включений и за­ твердевает при определенном режиме [89]. Широкий ин­ тервал кристаллизации способствует возникновению по-

223

рйстых негерметичн'ых соединений (за счет образования пор и пустот при ликвации припоя в процессе застыва­ ния). Для образования мелкозернистой структуры при­ поя паяные соединения должны формироваться и засты­ вать быстро, при этом необходим термодинамический контроль. Когда перегрев носит длительный характер, образуется непрочное «холодное соединение». Оно отно­ сится к серой мелкокристаллической формации структу­ ры с окислительными процессами, явно выраженными. При недогреве места пайки, вследствие недостаточной глубины взаимной диффузии, соединение получается не­ прочным. Законченность и надежность паяного соедине­ ния определяют хрупкие прослойки интерметаллических соединений, образующихся в результате взаимодействия основного металла с жидким припоем. От того, каковы природа этого нового материала и его толщина, зависят в основном прочностные характеристики соединений.

Многообразие интерметалличеоких фаз при различ­ ных сочетаниях основного металла — припой, получен­ ное благодаря длительному взаимодействию металлов при температурах, сравнительно высоких, показано в таблице 49 [90].

В процессе взаимодействия меди и олова расплава характер диффузионного слоя и фаз находится в пря­ мой зависимости от температуры и времени процесса. В- интервале температур до 270° С отмечается однофазная прослойка Cu3Sn, а свыше — двухслойная C^Sns и Cu3Sn. Создание барьера, препятствующего образованию интерметаллических соединений, резко сокращает число отказов паек в печатных узлах [91]. Зависимость проч­

224

ности соединения меди припоем ПОС-61 в зависимости от ширины диффузионной зоны и времени пайки приве­ дены на рис. 59 и 60 [92].

Как видно из рисунка 59, максимальная прочность паяного соединения обеспечивается при ширине диффузизионной зоны 0,9—1,1 мкм. Ширина этой зоны определя­ ется по микрошлифам паяного соединения, специально изготовленным.

Данные рисунка 60 показывают, что наибольшая прочность паяных соединений плат достигается тогда,

когда температура пайки составляет 250° С и время 5— 6 с. Таким образом, управление процессами, протекаю­ щими при лужении и пайке, чтобы определить опти­ мальные режимы, преследует цель — обеспечить работо­ способность печатной схемы. Излишне высокая темпера­ тура и длительность процесса вызывают потерю связую­ щих свойств клея БФ, которым приклеены проводники к плате, и их отслаивание. Возможно также и отслаива­ ние металлизации в отверстиях, особенно одиночных. Оптимальной для пайки печатных схем припоем ПОС-61 является температура 245+5° С, припоем ПОСК-50 — 220±5° С. При пайке с масками или защитными покры­ тиями, которые являются тепловыми экранами и умень­ шают скорость прогрева платы, температуру припоя повышают до 260—270° С.

Особенность пайки печатных плат заключается в том, что в течение ее осуществляется соединение металличес­ ких элементов, относительно массивных (выводов, кон­ тактов) с тонким слоем металла либо на поверхности диэлектрика (контактные площадки и проводники), ли­ бо внутри отверстия. Теплостойкость диэлектриков обыч­ но в 1,5—2,5 раза ниже температуры пайки. Поэтому время пайки является как бы компромиссом между ее качеством и сохранностью печатной платы, оно зависит от размеров и теплоемкости плат.

Особенность плат, изготовленных без металлизации отверстий,— повышенные требования к соотношению размеров отверстия в плате и входящего в него вывода элемента. В данном случае нельзя добиться закрытия всего отверстия припоем, поэтому качественным следу­ ет считать такое соединение, при котором подогнутый вывод радиоэлемента припаян к печатному проводнику независимо от того, закрыто отверстие припоем или нет. Отверстие можно закрыть припоем только в случае пре­ вышения диаметра отверстия над диаметром вывода, входящего в него, не более чем на 0,4 мм. В практике от­ верстие иногда бывает расположено так, что выходит за пределы контактной площадки. Тогда вывод может ока­ заться незапаянным. Поэтому, когда отверстие смеща­ ется относительно центра контактной площадки, оно должно находиться в ее пределах и не более 1 мм от края проводника.

При использовании механизмов для групповой пайки необходимо, чтобы на плате имелось свободное про­ странство для закрепления платы в приспособление. Для этого по периметру платы имеется технологическая зо­ на шириной не менее 2 мм, овободная от печатных про­ водников и навесных радиоэлементов. Чтобы предотвра­ тить замыкания печатных проводников во время пайки, выводы навесных радиодеталей не должны выходить за пределы контактных площадок.

В процессе пайки платы, очень покоробленной, воз­ можно, что часть ее окажется незапаянной или будет залита припоем. Поэтому не следует, чтобы величина коробления платы превышала 75% ее толщины на дли-' не 100 мм. Крепежные детали узлов, выходящие на сто­ рону печатных проводников, не должны иметь цинково­ го покрытия.

226

Рис. 61. Характерная поверхность паяных сое­ динении, кипевших во время пайки

В ряде случаев при пайке печатных плат с металли­ зированными отверстиями наблюдается кипение припоя и образование внутри и снаружи паяного соединения га­ зовых пор [93, 94]. При этом на поверхности соедине­ ния появляются пузыри: во многих случаях верхняя пленка припоя прерывается, образуя кратеры, ракови­ ны, поры, шероховатости. Внешний вид таких паяных соединений платы после пайки показан на рис. 61. Воз­ никновение пор и пузырей на поверхности свидетельству­ ет также о существовании газовых раковин или взду­ тий, не вышедших на поверхность. Данные металлогра­ фического анализа таких паек позволяют сделать вывод об обилии внутри паяного соединения окрытых дефек­ тов.

О типичной картине внутреннего состояния кипевших паек дает представление рис. 62. Наличие пор и рако­ вин внутри паяного соединения потенциально снижает надежность печатных узлов. Между дефектами метал­ лизации отверстий и дефектами пайки существует зави­ симость, которая приведена на рис. 63 [53]. При выпол­

Рис. 62. Скрытые дефекты внутри пайки (увеличе­ ние 70х)

І ~ в п а я н ы х с о е д и н е н и я х ;. 2 — в м е т а л л и з и р о в а н н ы х - о т ­ в е р с т и я х

диэлектрика (следствие недополимеризации) через де­ фекты металлизации или тонкий рыхлый слой меди в от­ верстиях.

Динамика процессов удаления влаги для некоторых видов подложек печатных плат при различных темпера­ турах конвекционной сушки (рис. 64,65), установленная

228

Время сушки, мин.

Рис. 64. Зависимость потери влаги гетинаксом от времени сушки:

1. 2, 3, 4 — с о о т в е т с т в у ю т т е м п е р а т у р а м 100, 90, 70, 60°С

Рис. 65. Зависимость потери влаги стеклотекстолитом от времени сушки:

.. Л 2. 3, 4 — с о о т в е т с т в у ю т т е м п е р а т у р а м 100, 90, 70, 60°С

Рис. 66. Количество дефектов паяных соединений в зависимости от температуры сушки печатных плат (время сушки 1 час)

Рис. 67. Количество дефектов паяных соединений в зависимости от времени предварительной сушки печатных плат при температуре 120° С

на основании опытов, показывает, что влага в период сушки удаляется в основном в первые 2—3 часа. Одна­ ко это не означает, что все ее количество в течение ука­ занного времени устраняется полностью. Из сравнения кривых на рис. 64, 65 видно, что более полное удаление происходит при температуре, более высокой.

Сушка плат перед пайкой позволяет значительно сок­ ратить количество скрытых дефектов. На рис. 66, 67 по­ казаны зависимости таких дефектов от температуры и времени сушки.

230

При пайке сквозных отверстий плат исключительно важное значение имеет зазор между стенкой отверстия

ет выяснить причины тех или иных технических непола­ док, вызывающих отказы соединений печатных узлов и блоков.

5 — 5. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПАЯНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Многообразие конструкций монтажных соединений на платах можно привести к трем основным видам:

1.Монтажное соединение, образованное установкой радиоэлемента корпусом на плату с подгибкой выводов под платой;

2.Монтажное соединение, образованное установкой радиоэлемента корпусом на плату без подгибки выводов под платой;

3.Заклепочное соединение, при котором отверстие в плате металлизировано гальваническим способом.

Качество пайки может определяться величиной пере­ ходного сопротивления и прочностью соединения. В ра­ боте [96] исследовалось изменение переходного сопро­ тивления пайки для различных конструкций монтажных соединений. Было установлено, что соединение через ме­ таллизированное отверстие вдвое, по сравнению с соеди­ нением с контактной площадкой, улучшает электриче­ ские характеристики контакта. Графики зависимости из­

сопротивления пайки пропорционально площади контак­ та. Однако измерять такое сопротивление в паяных сое­ динениях на плате настолько дорого и сложно, что осу­ ществлять это в производственных условиях крайне трудно.

Следует отметить, что механическая *прочность сое­ динения, не имеющего электрического контакта вывода

231

радиодетали, с печатным проводником (ложная пайка) очень низка. Поэтому, контролируя качество паяных сое­ динений, можно было бы ограничиться измерением их механической прочности. Но данный метод контроля в производстве не применим, так как при измерении проч­ ности соединение разрушается, что делает его непри­ годным к эксплуатации. Наиболее распространенный

Площадь контакта. %

Рис. 68. Зависимость переходного сопротивления паяных соединений печатных плат от площади кон­

является неудовлетворительным вследствие причин, рас­ смотренных ниже.

Масса припоя, закрывающая соединение, может скрывать ложную пайку, которую обнаружить в этом случае визуальным осмотром нельзя. Более того, соеди­ нение, полностью закрытое припоем, указывает скорее всего на то, что пайка в нем ложная и холодная, так как в случае достаточного прогрева соединения и качествен­

232