2.5. Типичные дефекты пайки

2.5.1. «Холодные» пайки

Это самый распространенный дефект пайки, будучи пропущенным и неис-правленным, наиболее часто досаждает пользователям из-за неустойчивого контакта. При тестировании непосредственно в производстве этот дефект не распознается (за исключением ИК-контроля). Впоследствии диффузия влаги и кислорода воздуха окисляет соприкасающиеся поверхности, что создает эффект неустойчивого (мерцающего) контакта. Мало того, окисленные поверхности не позволяют восстановить качество соединения при повторной пайке (ремонте).

Внешнее проявление «холодной» пайки, вызванной неполным оплавлением: зернистость поверхности, неполное слияние частиц припоя в пасте, неполное смачивание и скатывание припоя со спаиваемых поверх¬ностей. Чтобы гарантированно распознавать холодные пайки, припой или пасту дозируют так, чтобы образовалась скелетная, но не заливная пайка. На скелетной пайке можно видеть, имеется смачивание спаиваемых поверхностей или нет.

Причины «холодных» паек связаны со всеми элементами технологии монтажа:

• недостаточный прогрев паек;

• случайный сдвиг спаиваемых элементов во время охлаждения пайки;

• ослабление активности флюса из-за перегрева или сильного загрязнения спаиваемых поверхностей;

• недостаточная активность флюса, из-за чего не обеспечивается активация и смачиваемость поверхностей припоем;

• окисление порошкообразного припоя в пасте;

• неустойчивые свойства финишных покрытий;

• загрязнение припоя: при пайке волной — растворенными металлами, при пайке оплавлением — газовыделениями из компонентов или оснований печатных плат.

Для удовлетворительной текучести припоя и смачиваемости рабочая температура пайки должна превышать температуру ликвидуса на 30. ..40 градусов. При ручной пайке время пребывания припоя при этой рабочей температуре должно быть 2...3 с, а при групповом нагреве температура нагрева паек должна следовать установленному температурному профилю (время пребывания в расплавленном состоянии — 30...90 с). Для бессвинцовых припоев, для которых характерна плохая смачиваемость, для удовлетворительной пайки приходится поднимать рабочую температуру еще на 20...30 градусов.

Сдвиг спаиваемых элементов во время остывания припоя тоже может быть причиной дефектов паек. Сдвиг может возникнуть из-за сильного обдува при охлаждении или из-за толчков конвейера. Если это произойдет в момент перехода температуры от ликвидуса к солидусу, припой необычно быстро затвердевает с образованием крупнокристаллической пористой структуры, проявляющейся как образование матовости. Пористость паек создает условия окисления паек и, как следствие, их последующего ослабления.

Перегрев флюса быстро приводит к потере его активности, поэтому для них всегда оговаривают температурный диапазон пайки. Использование среды азота нивелирует это явление, но не бесконечно. Сильные загрязнения поверхностей, хотя они и маловероятны в рабочей практике, нейтрализуют активность флюса, и он перестает работать.

Недостаточная активность флюса может быть обусловлена его собственными свойствами или недостаточным нагревом паек, из-за чего он не активирует спаиваемые поверхности. В этой ситуации он не замещается расплавленным припоем и остается прослойкой между припоем и спаиваемой поверхностью. Расплавленный припой не смачивает поверхности и застывает так, что образуются «холодные» пайки.

Как бы там ни было, в каких бы условиях ни хранили припойную пасту, окисление поверхности его микроскопических частиц припоя неизбежно. Это одна из причин ограничения срока хранения паяльных паст. Пайка с использованием устаревшего припоя в пасте всегда чревата плохими последствиями, в первую очередь — образованием «холодных» паек.

Финишные покрытия печатных плат сильно сказываются на вероятности образования «холодных» паек. В первую очередь это относится к покрытиям иммерсионным оловом, если не используется барьерный подслой. Тонкий слой иммерсионного олова быстро (за две недели) прорастает интерметаллоидами Sn_xCu_y и теряет паяемость. Наличие барьерного подслоя гарантирует паяемость на несколько лет. Поэтому нужно оговаривать характер покрытия: не всякое иммерсионное олово может длительно сохранять паяемость.

Чревато дефектами и часто используемое покрытие иммерсионным золотом по никелю. Характерный для этого покрытия дефект — черные контактные площадки, появляющиеся на поверхности из-за оголения никеля и выпотевания фосфора, если тонкий слой золота растворяется в припое раньше, чем припой смочит поверхность никеля. Происхождение фосфора в никеле обусловлено особенностями процесса его химического осаждения. Припой скатывается с фосфорированной и окисленной поверхности никеля из-за чего и проявляется эффект черной контактной площадки. Черные контактные площадки могут возникать также при передержке процесса пайки и при неправильном выборе флюса. Передержка интенсифицирует образование интерметаллидов олова с никелем и олова с фосфором, внедренным в никель. Кроме того, выделение фосфора на поверхности никеля может вызвать и процесс золочения. Осаждение золота из нейтральных электролитов уменьшает вероятность этих явлений.

Загрязнения припоев значительно сказываются на их свойствах, о чем будет сказано в главе 3. Зачастую дорогостоящая процедура очистки ванн припоя заставляет производителей терпеть насыщение ванны загрязнениями до конца, пока не будет явно видно, что нужно остановиться и очистить припой. Но до того, как выявится эта необходимость, часть паек (пусть незначительная) окажется «холодной».

Термодеструкция полимеров печатных плат и компонентов порождает выделение газов и паров воды, которые могут спровоцировать пассивацию поверхностей и ухудшению их способности к образованию качественных паяных соединений.