Общие вопросы пайки

Категория:
Производство радиоаппаратуры


Общие вопросы пайки

Пайка как средство механического соединения металлов используется уже много лет. Однако потребности промышленности, создающей радиоэлектронную аппаратуру, связанные с современными понятиями надежности, приводят к необходимости пересмотра методов пайки. Надежность нельзя обеспечить, если применять первый попавшийся припой, и ошибка многих занимающихся пайкой, заключается в том, что под припоем понимают только сплав олова. На самом деле, при выборе материалов для пайки необходимо учитывать свойства используемого сплава совместно с флюсом. До тех пор пока комбинация припой — металлическая основа не выбрана правильно, даже наиболее совершенное оборудование и технология не обеспечат надежности, которая может быть достигнута только при соответствующем выборе исходных материалов.

Время от времени появляются определенные рекомендации по способам пайки и мерам предосторожности при их выполнении. Но многие вопросы возникают снова. Поэтому проектировщику, оператору и контролеру качества, ответственным за создание надежного соединения, необходимо знать о некоторых неверных представлениях, которые лежат в основе большого количества ошибок, связанных с применением пайки. Этот параграф посвящен проблемам пайки, наиболее часто встречающимся как в массовом производстве, так и в специальных областях.

Точная и надежная пайка стала теперь производственной необходимостью. Требуется соединять новые виды металлов. Электронные блоки становятся более компактными и миниатюрными. Ремонтные работы применяются реже, а компоненты стали более чувствительными к воздействию тепла. Все эти тенденции приводят к тому, что требования к процессу пайки повышаются и соединения пайкой следует проводить на строго научной основе.

Необходимо учитывать действие флюсов, которые являются исключительно важным фактором в процессе пайки. Правильный выбор флюса в большой степени обеспечивает надежное соединение. Если неверно выбра.н флюс, то брак катастрофически возрастет. Флюс является в общем разжижителем, по при пайке он существенно влияет на скорость и степень завершенности процесса пайки.

Характеристики флюсов

Для обеспечения хороших характеристик пайки флюс должен выполнять две основные функции: обеспечивать получение соединяемых поверхностей без окисных пленок и поддерживать это состояние в течение всего процесса пайки; влиять на поверхностное натяжение таким образом, чтобы припой мог растекаться по соединяемым поверхностям.

Флюсы характеризуются химической активностью. Окисные пленки, образующиеся на поверхности поц действием окружающих условий, должны быть удалены перед пайкой, иначе соединение будет ненадежным. В отличие от жировых загрязнений эти пленки не могут быть удалены обычными растворителями.

Флюс должен выдерживать температуру пайки без испарения или разложения. Это требование должно предъявляться как к самому флюсу, так и к его растворителю. Растворитель может иметь точку кипения ниже температуры пайки в том случае, если флюс сам по себе является термостойким.

Смачивающая способность. До начала пайки поверхности соединяемых материалов смачивают флюсом. Это смачивающее действие включает в себя своеобразный баланс поверхностных энергий на границе раздела металл—припой—флюс и поэтому определяется не только одним флюсом. Для данной комбинации металл—припой может быть подобран флюс с максимальной смачивающей способностью.

Однако необходимо помнить, что использование флюса не заменяет предварительную очистку. Большинство флюсов бесполезно, если на рабочем участке имеется нерастворенный слой грязи. Тщательное обезжиривание существенно повышает эффективность использования флюса и получение качественной пайки.

Активность растекания. Флюс, который уменьшает контактный угол или угол смачиваемости, будет способствовать распространению припоя или растеканию его. Сродство металла также является важным требованием. Оно должно быть ниже, чем сродство припоя к металлу, чтобы флюс легко замещался расплавленным припоем. Из этих двух требований влияние флюса на смачиваемость существенно более важно. Этот показатель является мерой качества флюсования.

Некоторые требования к флюсам. Чтобы сделать пайку экономически выгодным методом соединения, флюсы должны удовлетворять некоторым определенным требованиям. Знание их поможет определить, представляет ли флюс промышленную ценность или чисто академический интерес. Какое из этих требований является наиболее важным, определяется конкретной задачей.

Время пайки. Сокращение времени пайки особенно существенно в высокопроизводительных технологических процессах, а также при пайке электронных схем с термочувствительными компонентами. Хорошо выбранный флюс ускоряет процесс в системе припой-металл, что позволяет в единицу времени проводить максимальное число соединений.

Температура пайки. При достижении заданной температуры должно произойти расплавление припоя. Кроме того, температура должна быть достаточно высокой, чтобы флюс мог обеспечить очистку поверхности. Однако необходимо избегать слишком высоких температур, поскольку органические соединения в флюсе при перегреве могут стать неактивными. В качестве примера можно привести снижение способности флюсов на основе канифоли очищать медь, если они быстро нагреваются до температуры ^320°С. Активированные канифольные флюсы выдерживают более высокие температуры, благодаря чему все характеристики флюса сохраняются. Общее правило в этом случае состоит в необходимости поддерживать температуру пайки на 60°С выше точки плавления припоя для получения качественных соединений.

Коррозия. Коррозия является непосредственным результатом использования флюса и ее воздействие необходимо предотвращать, иначе паяное соединение может оказаться слабым или отказать под действием усталости. В электрических цепях коррозия может вызвать изменения электрических характеристик. Продукты коррозии могут понизить сопротивление изоляции или образовать мостик между компонентами, что вызовет короткое замыкание. Следовательно, флюс должен обладать минимальным коррозионным действием. В самом деле, когда флюс подается на поверхность и расплавляется, он может проникать в различные щели или другие труднодоступные места. В процессе пайкп флюс испаряется и конденсируется на частях блока, которые удалены от места соединения. Поэтому остатки флюса не удаляют при очистке места спайки.

Если нельзя проконтролировать способность флюса к коррозированию, то необходимо удостовериться, что выбранный флюс и его остатки легко удаляются после пайки.

Выбор флюса. Флюс нужно не только разумно выбирать, но и правильно использовать. Это мож.но сделать, в частности, введением технических условий на соответствующие флюсы и методы пайки и необходимых требований в чертежи и стандарты при проектировании-

При составлении таких инструкций необходимо, чтобы были отражены следующие требования:
— должен быть точно указан необходимый тип флюса, «о выбор его марки остается на усмотрение производственников;
— необходимо учесть температурные ограничения, накладываемые на блок. Эти ограничения определяют максимальную температуру пайки и, следовательно, температуру припоя. Отметим, что точка плавления припоя не является температурой пайки;
— необходимо учесть механические свойства припоя и уделить основное внимание его механической прочности, ползучести и т. д.;
— электрические свойства припоя (особенно способность проводить ток) должны выбираться также с учетом требований электрической схемы;
— необходимо учитывать такие характеристики припоя, как коэффициент расширения, изменение проводимости при изменении температуры, сопротивление к коррозии и др.

Важным требованием является чистота припоя. Загрязнение припоев примесями является причиной большого числа отказов. Добавка мышьяка в припой, содержащий олово, уменьшает опасность перехода олова из металлического в аморфное состояние.

Классификация флюсов. В течение многих лет для пайки использовались флюсы двух видов — кислотные и канифольные. Они классифицировались как некоррозионные и коррозионные. Такая классификация не является адекватной, поскольку было показано, что для обеспечения эффективности флюса он должен обладать определенной степенью коррозионности. Поэтому более целесообразно классифицировать флюсы по их химической природе следующим образом: неорганические кислотные, органические кислотные и органические канифольные флюсы.

Изучение свойств флюсов указывает, что в области приготовления неорганических кислотных флюсов достигнуты существенные успехи. Разработаны специальные материалы пайки интерметаллидов, например таких, как теллурид висмута, который дает возможность соединять материалы, используемые в термоэлектронных приборах.

Недостатком органических кислотных флюсов является разбрызгивание. Раньше эти флюсы делали на основе воды, и поэтому когда вода касалась расплавленного припоя, образовывалось значительное количество пара, что приводило к разбрызгиванию припоя. Наиболее современные типы органических кислотных флюсов содержат смесь быстро испаряющихся растворителей, которые исключают разбрызгивание флюса.

Использование флюсов при низких температурах ранее представляло собой проблему. Большинство флюсов, применяющихся в электронике, не активны до тех пор, пока не нагреваются до относительно высоких температур пайки. Из-за этого .не реализовыва-лись преимущества припоев с низкой точкой плавления. Сейчас, однако, имеются флюсы, которые становятся активными при температуре пайки 120 °С.

В настоящее время существуют такие новые типы активированного и неактивированных канифольных флюсов для высокотемпературной пайки, свойства которых позволяют получать высоконадежные изделия. Флюсы выбираются для каждого конкретного применения не только на основе их реакции с припаиваемыми металлами. Необходимо также учитывать, что надежность создаваемого соединения зависит от методов нанесения флюса и последующего удаления его остатков.

Очистка. Методы очистки флюсов должны обеспечивать уровень химической чистоты паяных соединений, требуемых для электронных блоков.

Источниками загрязнения являются потовые выделения человека, недостаточная очистка в процессе металлизации и загрязнение при хранении до и после пайки. Пайка является последней операцией, после которой требуется тщательная очистка и удаление ионизующихся материалов, осажденных на блоке. В результате проведенных операций получают особенно чистые блоки, которые могут обеспечить высокую надежность. Многие электронные компоненты могут быть полностью погружены в воду без всяких последствий. Это делает очистку водой после монтажа достаточно привлекательной.

Создание качественных паяных соединений является сравнительно новой проблемой. Большая часть блоков ранее разрабатывалась с учетом электрических, механических и других требований, и лишь малая часть разработчиков непосредственно рассматривала и учитывала такой важный фактор, как пайка. На примере печатных плат можно видеть выгоды, которые можно получить при соответствующем конструировании паяных соединений, особенно если схема предназначена для аппаратуры с высокой плотностью упаковки и с большим количеством паяных соединений. Пайка схемы часто осуществляется методом волны припоя. Этот метод обеспечивает достаточную надежность, предусматриваемую при проектировании п разработке аппаратуры.

Помимо тщательного подбора материала, разработчик должен учитывать конфигурацию соединений, чтобы обеспечить их прочность и электрические характеристики. Для этого, однако, необходимо, чтобы разработчик был хорошо знаком с методами монтажа и требованиями, которые предъявляет используемое оборудование. Так, все свинцово-оловянные припои, содержащие до 60% олова, не должны использоваться при температурах выше 150°С, поскольку спаи, полученные с их помощью в интервале температур 150… …180 °С, обладают низкой механической прочностью.

Иногда при пониженной температуре чистое олово превращается в серый порошок. Было установлено, что это явление — «оловянная чума» —есть следствие изменения кристаллической формы олова под действием окружающих условий, таких, как понижение давления, сильное охлаждение и т. д.

Возникает вопрос: не может ли,это произойти при использовании оловянных припоев? Это маловероятно, так как «чума» присуща чистому олову (не находящемуся в составе сплава) или олову, загрязненному алюминием или цинком. «Оловянная чума» не наблюдается в олове, содержащем более 5% свинца. Если существует необходимость использования блока при очень низких температурах, то нужно, чтобы применяемое в качестве припоя олово содержало не менее 0,5%’ мышьяка.

При воздействии на припой низкой температуры изменяются его механические свойства, увеличивается его жесткость, а также уменьшается его ударная прочность. Поэтому припои, которые применяются для соединений в аппаратуре, работающей при низких температурах, должны обеспечить максимальную прочность и сопротивление к ползучести.

Пайка соединений

При проведении процесса пайки важно точно поддерживать температуру пайки и правильно выбрать мощность паяльника. При пайке соединений, теплоемкость которых велика, необходимо увеличить теплоемкость паяльника, так как просто увеличение температуры пайки вызовет обугливание флюса до его активации. Практически было обнаружено, что в момент пайки температура припоя должна быть примерно на 40°С выше температуры его перехода в жидкость. При более высокой температуре наблюдается избыточное сплавление соединяемых деталей, а при пониженной температуре припой течет с недостаточной скоростью, что вызывается местным охлаждением припоя деталями соединения.

Когда кончик паяльника передает тепло расплавляющемуся припою, то его температура понижается примерно на 20°С. Следовательно, температура кончика паяльника в промежутке между последовательными пайками должна быть примерно на 60 °С выше, чем точки плавления припоя. Отсюда следует, что температуру кончика паяльника в процессе пайки следует непрерывно контролировать термопарой, регулятором мощности трансформатора или внутренним магнитным термостатом.

Концы паяльников обычно изготавливают из чистой меди, поскольку этот металл легко лудится и имеет хорошую теплопроводность. Однако чистая медь быстро растворяется в расплавленном припое, и кончик паяльника теряет форму. Этого можно избежать, если предварительно насытить припой медью в количестве 1,5%, что подавляет растворение меди в оло-вянно-свинцовом припое при температурах 250… …300 °С. Однако, если температура конца паяльника превысит 300 °С, медь не будет более насыщаться и произойдет ее небольшое растворение в припое.

Не рекомендуется изготавливать концы паяльника из сплавов меди с металлизированным покрытием или из чистого железа, поскольку они имеют относительно низкую теплопроводность, что можно компенсировать только повышением температуры паяльника, однако это может ухудшить характеристики электронных компонентов.

Пайка серебреных соединений. Серебрение используется для покрытия провода в тефлоновой изоляции, коаксиальных кабелей и покрытия выводов определенных компонентов. Однако, если при пайке используется оловянно-свинцовый припой 60 :40, серебро поглощается припоем и образуется поверхность, которая не смачивается припоем. Поглощение серебра можно предотвратить применением припоя с добавкой 2% серебра. Рекомендуемая температура конца паяльника в момент пайки в этом случае должна быть около 220 °С.

Пайка золоченых соединений. Хорошо известно, что золотое покрытие и припой сильно взаимодействуют. Поэтому важно устранить слишком сильное поглощение золота припоем с поверхности золоченых проводов или соединений, поскольку золото имеет тенденцию повышать хрупкость припоя. С другой стороны, золо то наносят для увеличения способности данного провода к пайке. Его удаление при растворении припоем может привести к образованию поверхности, адгезия припоя к которой будет мала.

Добавка серебра к припою до некоторой степени уменьшает адсорбцию золота. В этом случае целесообразно выполнять пайку как можно быстрее и при минимальной температуре. Для уменьшения взаимодействия с припоем предпочтительно использовать более тонкие золотые покрытия. При пайке позолоченных выводов целесообразно применять эвтектику олова, свинца и кадмия с точкой плавления 145 °С, поскольку температура конца паяльника при этом не должна быть выше 200 °С. В этом случае компоненты при пайке подвергаются меньшему тепловому воздействию. Это важно при пайке золотых выводов транзисторов и тонкопленочных интегральных схем, которые очень чувствительны к избыточной температуре.

При введении в технологию золочения или использовании компонентов, которые имеют золоченые выводы, желательно убедиться в хорошем качестве осаждения. Надо иметь в виду, что золото становится жестким при сплавлении с другими металлами. Это приводит к интенсификации процесса коррозии и увеличению пористости поверхности при хранении, что в конечном итоге затрудняет пайку золоченых выводов.

Как материал для покрытия контактов, золото обычно наносится толщиной 1,2…5 мкм. Хотя покрытие толщиной 1,2 мкм, как правило, не обеспечивает долговременной надежности, оно иногда используется в радио- и телевизионной аппаратуре. В специальной аппаратуре, где требуется высокая надежность, толщина золотого покрытия составляет 2,5 .. ..5 мкм.

Существует много методов нанесения золота. При этом используются щелочные, нейтральные или кислые растворы. Однако иногда желательно включить в осажденный слой помимо золота другие вещества (например, никель), чтобы повысить твердость осажденного слоя. Выбор толщины слоя, типа золота и типа раствора зависит от рабочих условий и материалов, из которых изготовлены компоненты. Если впоследствии компоненты будут спаивать, важно убедиться в том, что это золотое покрытие может паяться. Во многих случаях для покрытия штырей и гнезд разъемов используют жесткое золото, что обеспечивает хорошую износоустойчивость, но затрудняет пайку.

Условия пайки. Механическая прочность свинцово-оловянных припоев в диапазоне температур 150…180 °С очень мала, поэтому использовать их для пайки при указанной температуре запрещено.

Наличие серебра в припое до некоторой степени уменьшает растворение в припое золота. Поэтому целесообразно проводить присоединение как можно быстрее и при низкой температуре, чтобы уменьшить взаимодействие золота и припоя. Температура кончика паяльника не должна быть выше 200 °С.

Нет сомнений, что продолжительный срок хранения, а также условия хранения снижают способность различных поверхностей к пайке. Поэтому, если возникают малейшие подозрения, что на поверхности образовались пленки или она загрязнена, непосредственно перед пайкой желательно очищать поверхность. В ряде случаев проволочные выводы или поверхности с предварительным покрытием требуют устранения старых покрытий, которые успели окислиться. Это следует делать перед повторным лужением. Предварительное лужение необязательно. Однако этот процесс полезен при работе с металлами, трудно поддающимися пайке, или в тех случаях, когда должны использоваться активные флюсы.

Выступы или пустоты при пайке припоем с сердечником из флюса вызваны включениями или пустотами в самом флюсе, которые являются результатом появления пузырьков органических газов.

Когда припой принудительно контактирует с металлической поверхностью, которая не подготовлена соответствующим образом к пайке, при охлаждении он будет собираться в капли, аналогично тому, как получается при попадании воды на поверхность воска. Поверхность между этими каплями, как правило, имеет серебряный отблеск. Однако в этом случае нормального смачивания не происходит. Несмачивание наиболее часто наблюдается, если расплавленный металл имеет возможность стекать с поверхности.

Если необходимо спаять два соединения, очень близко расположенные друг к другу, то пайку первого соединения следует производить более высокотемпературным припоем. Тогда пайка второго соединения выполняется сплавом с пониженной температурой, чтобы не нарушить первое соединение.

Прочность паяного соединения зависит от величины зазора между паяемыми поверхностями. При зазоре около 0,08 мм припой и флюс легко проникают в соединение и обеспечивают оптимальное смачивание. Если этот зазор меньше, то возможно захватывание газов и флюса, что приводит к уменьшению смачиваемой площади и меньшей прочности слоя припоя. Если зазор существенно больше, то в образовании слоя припоя уже не участвуют капиллярные силы.

При конструировании соединения необходимо обеспечить его механическую прочность и электропроводность. Этим условиям наиболее полно удовлетворяют тонкие слои припоя. Избыточный слой припоя не повысит прочность или проводимость соединения и лишь затруднит контроль качества такого соединения.

При слишком больших контактных углах внутренняя когезия припоя больше, чем адгезия на границе раздела между припоем и соединяемой деталью. Это означает, что в данном случае сплавления не произойдет.

При неправильном сплавлении может наблюдаться окисление слабых границ раздела, что приводит к появлению «сухого» соединения с повышенным сопротивлением. Такой дефект является очень серьезным, поскольку он может проявиться не сразу, а через несколько месяцев после вступления аппаратуры в строй.

Рабочие поверхности должны очищаться как перед их использованием в холодном состоянии, чтобы удалить всю грязь, смазку, остатки флюсов или других веществ, так и во время пайки.

Персонал, работающий с очищенными проводами, выводами, разъемами и печатными платами, должен носить тонкие белые чистые перчатки из ткани, которая не имеет пуха, чтобы предотвратить загрязнение поверхности. Вероятность загрязнений при работе без перчаток больше, если работают женщины, поскольку крем для рук и другие виды косметики сильно загрязняют поверхность. Для удаления флюсов можно использовать такие хорошо зарекомендовавшие себя растворители, как метиловый или изопропиловый спирт и т. д. Однако следует использовать минимальное их количество, необходимое для удаления флюса в каждом частном случае. Кроме того, при использовании этих растворителей необходимо принять меры для обеспечения соответствующей вентиляции.

Температура кончика паяльника, который должен использоваться при пайке, изменяется в зависимости от вида компонента, покрытия выводов, материалов, используемых для проволочных выводов, типов припоя и флюса. При пайке блок должен быть обеспечен специальным чертежом, в котором точка за точкой показаны положения паяных выводов, температура паяльника и припоя. Эти точки должны иметь маркировку, и к чертежу должна прилагаться соответствующая ее расшифровка.

Избыток припоя может быть удален с помощью так называемого фитиля *. При этом используется стандартный многожильный провод, с которого удалена изоляция на расстоянии примерно 13 мм. Опустите обнаженный провод в жидкий припой и поместите припой с флюсом па припаянное соединение и затем на провод поставьте кончик горячего паяльника. Паяльник и провод удаляются, когда на проводе оказывается нужное количество припоя. Во время этой операции припой проходит вверх по проводу с помощью капиллярных сил, и в этом смысле этот процесс аналогичен подъему масла по фитилю лампы.

Требования к контролю качества.

Контроль качества паяных соединений предполагает поиск следующих дефектов:
— обугливание, ожог, растекание или другое повреждение изоляции;
— разбрызгивание флюса или припоя «а соседние соединения или компоненты;
— острые выступы на припое;
— ямки, царапины или отверстия;
— избыточное количество припоя, что вызывает потускнение соединений или компонентов;
— плохо закрепленные выводы или провода:
— холодные спаи (тусклая поверхность);
— наличие канифоли в спае;
— паяные соединения, нарушенные в период отверждения;
— наличие обрезанных, растянутых, поцарапанных проводов или выводов;
— недостаточно чистое соединение (остатки волокон ткани, флюса, грязь, брызги припоя и т. д.);
— песмачиваемость;
— недостаточное количество припоя;
— визуально обнаруженная обнаженная медь или материал, к которому ведется пайка;
— изгиб выводов, приводящий к уменьшению необходимого расстояния между проводниками.

Дефекты пайки. Имеется много различных видов дефектов пайки, которые представляют собой серьезную проблему. Как правило, дефект обнаруживается между покрытием припоя и материалом, образующим вывод компоненты, но не на границе раздела между выводом и изделием, к которому припаивается вывод.

Очистка и повторное лужение выводов компонентов непосредственно перед использованием не всегда дает желаемый результат. До тех пор пока все загрязнения, включая дефектное покрытие, не устранены, не может быть уверенности в том, что новое покрытие вывода имеет желаемый прочный контакт с проводом самого вывода. Стоимость очистки и повторного лужения выводов может быть равна стоимости сборки самих компонентов.

Кроме того, нельзя считать доказанным, что ни на один из компонентов не повлияли очистка или подача тепла в процессе пайки. Эти отказы можно устранить только используя компоненты, удовлетворительно выдерживающие пайку. Поэтому полагают, что испытание проволочных выводов компонентов на способность к пайке является необходимым и наилучшим методом проверки. Для этого служит имитация реального процесса пайки.

Кроме определения необходимых условий пайки, следует также учитывать наличие загрязнения выводов компонентов. Загрязнения можно избежать при хранении компонентов в герметичной таре и периодическом повторном их контроле. Полезно хранить компоненты в упаковках, допускающих повторную герметизацию.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум