|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50---->
Полезная схемотехника. статьи № 51-100
Выбор материалов при проведении паяльных работ.
В статье даются общие сведения о материалах, используемых при проведении паяльных работ, критериях их выбора и некоторых проблемах, связанных с ними.
Чем сложнее становится электронное оборудование, тем больше знаний техники и технологии требуется для его ремонта и обслуживания, тем больше мелочи, которыми мы пренебрегали ранее, начинают оказывать влияние на качество выполняемых работ.
Одна из таких "мелочей" — материалы, используемые для формирования паяльного соединения.
Факторы, не оказывающие существенного влияния в одних случаях, могут стать критичными в других. Знание возможных узких мест процесса позволяет манипулировать их влиянием путем подбора тех или иных паяльных материалов.
Попробуем предложить перечень вопросов, на которые желательно ответить, прежде чем выбрать тот или иной припой, флюс, паяльную пасту, смывочную жидкость, способ сушки изделия после смывки.
— Каково назначение обрабатываемого изделия и в каких условиях оно будет работать?
— Каковы типы и размеры электронных компонентов, с которыми придется иметь дело, и компонентов, находящихся в непосредственной близости от рабочей зоны пайки?
— Какова плотность монтажа?
— Какова минимальная ширина проводников и контактных площадок?
— Какие материалы использованы в его производстве и как они будут реагировать на применяемые Вами материалы припоя, флюса и т.д.?
Приведенный перечень можно
продолжать, но это имело бы смысл для условий очень высокой технологической дисциплины современного электронного производства и редко распространяется на ремонтную службу.
Ответы на поставленные вопросы и определяют основные критерии выбора паяльных материалов вследствие особенности их влияния на процесс пайки. Начнем по порядку.
Прежде всего нужно четко представлять, как и чем было запаяно соединение, с которым предстоит работать, т.е. какие материалы находятся в соединении. Наиболее часто встречаются медь, олово, свинец, а затем по мере убывания — серебро, остатки органических кислот в сухом виде, сурьма, кадмий, золото, окислы всех упомянутых металлов, висмут, и наконец что-нибудь экзотическое типа индия. В 90 случаях из 100 мы понятия не имеем, что там намешано, поэтому в качестве припоя необходимо выбрать пассивный материал, который бы по возможности не взаимодействовал с контактируемыми материалами. Этот выбор уже сделан нашими славными предками:
нужно брать припой "олово-свинец" и не морочить себе голову. Однако в "пункте выдачи" припоя вы можете увидеть целую гамму его разновидностей, среди них такие как ПОС 40, ПОС61, Multicore 60/40, Alpha metalls 63/37, и все они разного состава, разного диаметра, а импортные — еще и с разными типами флюсов внутри. Но о флюсах позднее.
Припои же мало чем отличаются друг от друга. Припой ПОС61 плавится при температуре 190°С, т.е. на 48°С ниже, чем ПОС40 (238°C), и он идентичен Multicore 60/40. Припой Alpha metalls 63/37 отличается более низкой температурой плавления (183°С) и застывает сразу весь, в то время как другие припои затвердевают постепенно, кристаллизуясь в направлениях, обратных теплоотводу. Диаметры проволочного припоя имеют значение только для точности дозировки количества припоя, зависящей от массы контакта и ширины проводника/контактной площадки. Проще говоря, диаметр припоя не должен быть больше размера контактной площадки, иначе Вы все зальете припоем. Если же Вы знаете или узнали позднее, что Ваш компонент или компонент, находящийся в зоне теплового воздействия паяльника, припаян низкотемпературным припоем на основе висмута или индия, то использовать упомянутые выше припои нельзя, а нужно искать материал с температурой плавления, максимально приближенной к температуре плавления первоначальных материалов.
Здесь необходимо сказать о принципиальном отличии отечественных припоев от зарубежных аналогов. Химический состав и физические свойства стандартных сплавов российского производства описаны в Отраслевом стандарте ОСТ 4Г 0.033.200 издания 1986 года. Однако истинные параметры Вам никто не может гарантировать, поскольку в России в настоящий момент не существует специализированных производителей паяльных материалов и органов надзора за ними. Западные материалы, конечно,
если Вы пользуетесь материалами серьезных производителей, гарантированно содержат то, что написано в паспорте товара. Кроме того, ОСТ4Г 0.033.200 дает значительный (до 10%) разброс химического состава, тогда как стандарты Британский BS EN (29453) или американский QQ-S-571 не позволяют такие вольности.
Прежде чем перейти к флюсам, нужно еще раз сказать о сложившемся в наших умах стереотипе, что драгоценные и редкоземельные металлы улучшают качество пайки. Наличие в припое серебра и золота несет только две функции: уменьшает растворимость данных материалов и таким образом снижает перенос их с компонента или платы в припой контакта; увеличивает растекаемость припоя. И это все. Все прочие улучшения — повышение проводимости, падение температуры плавления — пренебрежимо малы и относятся к разряду производственных технологий, а не к ремонту. Более того, драгоценные металлы имеют сильную склонность к образованию интерметаллических соединений, обладающих свойствами неметаллов, и, как следствие, снижающих механические и электрические свойства соединений. К редкоземельным металлам нужно вообще подходить с осторожностью и применять их только в случаях, когда Вы уверены, что в обрабатываемом Вами контакте содержится именно этот элемент, или если Ваша задача не решается с помощью обычного припоя.
Паяльные флюсы выполняют три основные задачи. Кроме того, что флюсы растворяют органические и неорганические соединения, находящиеся в месте пайки и таким образом увеличивают смачиваемость соединяемых поверхностей, они также обеспечивают растекаемость припоя и создают защитную среду для материалов от нового окисления. Их роль при пайке огромна и правильный выбор флюса во многих случаях является определяющим. Чтобы не углубляться в теорию химических взаимодействий органических кислот,
находящихся во флюсе, и соединяемых металлов, назовем лишь критерии выбора флюса. Главный параметр флюса — его активность, т.е. проще говоря, рН (показатель кислотности) при рабочей температуре пайки. При этом надо помнить, что активность флюса сначала возрастает при нагреве, затем некоторое время сохраняется и потом необратимо падает. Такое его поведение накладывает определенное требование на дозировку флюса и время контакта с горячим инструментом. Флюса должно быть ровно столько, чтобы растворить все окислы, а время пайки должно быть достаточным для полной отработки флюса, но как можно более коротким, чтобы избежать нарушения свойств флюса.
Чем выше активность флюса, тем меньше времени необходимо на выполнение его функций, но тем выше вероятность образования нежелательных солей вследствие излишней активности и, как результат, время пайки должно быть короче. Итог Ваших рассуждений таков: чем старее контакт, чем тяжелее условия его эксплуатации, чем больше окислов на контакте и чем эти окислы химически более стойки, тем активнее флюс необходим для работы. Флюс, содержащийся в трубчатых припоях импортного производства, предназначен для устранения окислов самого припоя и в большинстве случаев недостаточен для формирования всего соединения.
Флюсы электронного класса можно условно разделить на группы:
по степени активности — активные, слабо активные и слабые;
по требованию смывки (после пайки) — требующие и не требующие последующей смывки;
по типу смывки — водосмываемые и смываемые специальными растворителями.
В качестве примера ниже дается таблица с условными рекомендациями по выбору флюса.
Методика оценки физико-химических свойств флюсов достаточно сложна и не может быть выполнена вне специализированной лаборатории, поэтому интересующиеся люди могут обратиться к упомянутому выше ОСТ 4Г 0.033.200. Для остальных скажем, что на территории России Вы можете сегодня встретиться с тремя типами флюсов: спиртоканифольным "самопалом", слабоактивированным флюсом на основе канифоли американского или английского производства и синтетическим флюсом, не требующим смывки. О первом говорить не приходится, поскольку всем известно, что его состав никому не известен, как, впрочем, и его свойства. Основное же различие между вторым и третьим флюсами заключается в количестве твердых включений и остатков после пайки. Количество остатков канифольного флюса после пайки может достигать 60% по массе, синтетический флюс оставляет после себя максимум 5%. В заключение разговора о флюсах отметим следующее. Оправданность применения кустарно изготовленных флюсов обратно пропорциональна сложности изделия. В рамках настоящей статьи нет возможности описать все негативные воздействия неконтролируемого привнесения всей таблицы Менделеева в контакт со спиртоканифольным раствором. Последствия могут быть самыми непредсказуемыми: коррозия с образованием токопроводящих солей, электрогальваническая коррозия, короткие замыкания из-за токопроводящих остатков и т.д., не говоря уже об обычной грязи на плате.
Заключительный этап пайки — смывка. Суть этого этапа состоит в том, чтобы удалить с изделия все лишнее, что попало туда в процессе пайки. Простота этой задачи отнюдь не означает простоту ее решения. Не все, что оказалось на плате после пайки, видно невооруженным глазом, не все смывается водой, спиртом, бензином и прочей бытовой химией, не все может быть смыто механическим путем (перемешиванием, промыванием, окунанием, с помощью щеток, кистей и т.д.), не все части платы доступны для обычной промывки, не все методы смывки приемлемы для различных компонентов и прочее, прочее, ... Поэтому здесь представляется целесообразным дать одну общую рекомендацию: промывая изделие после пайки, следует использовать жидкости, предназначенные (изготовленные) именно для этой цели, и ни в коем случае не применять химикаты иного назначения.
Материал подготовлен фирмой Аргус Трейдинг Лимитед.
Ремонт и сервис -№9'99
Учимся паять правильно!
Андрей Зуев
Многие мастера, занимающиеся ремонтом радиоэлектронных устройств (РЭУ), с успехом определяют неисправности, а вопросу пайки не отводят должного внимания.
На самом же деле процесс монтажа и демонтажа компонентов имеет строгое научное обоснование и требует определенной последовательности действий, а известные производители паяльного оборудования щедро финансируют науку для проведения специальных исследований в этой области. Не секрет, что от качества пайки зависит надежность изготавливаемого или ремонтируемого РЭУ. Так как этого качества добиться?
Вспомним определение пайки, которое приведено в[1]:
«пайка — это процесс соединения материалов, находящихся в твердом состоянии, расплавленным припоем, в результате чего происходит взаимное растворение и диффузия основного материала и припоя». Если спаиваемые предметы представляют собой металлы, то говорят о пайке металлов. Припой обладает значительно меньшей температурой плавления, чем основные материалы. Тепловая энергия, действуя на спаиваемые поверхности, расплавляет находящийся между ними припой и доводит его до жидкого состояния, а затем при дальнейшем нагреве происходит диффузия (взаимное проникновения припоя и основного материала на молекулярном уровне).
В радиоэлектронной промышленности при монтаже и демонтаже электронных компонентов используется пайка металлов (в дальнейшем — пайка). И качество этого процесса определяется двумя критериями: надежный электрический контакт и механическая прочность соединения.
Предметами пайки являются выводы электронных компонентов и контактные площадки на печатных платах, изготовленные, как правило, из меди или латуни. В качестве припоя традиционно применяются оловянно-свинцовые сплавы. Например, в состав припоя типа 635Sn/37Pb с температурой плавления 183°С входят олово (63%) и свинец (37%). В последнее время радиоэлектронная промышленность всего мира стала переходить на «бессвинцовые» технологии, проводя пайку припоями Lead-free, свободными от токсичного свинца (например, — оловянно-серебряным — 96.5Sn/3.5Ag с температурой плавления 222°С).
Процесс пайки можно классифицировать по ряду признаков:
• по масштабам нагрева печатной платы, пайка делится на групповую (например, при изготовлении РЭУ) и локальную (например, при ремонте);
• по организации процесса различают автоматическую и ручную пайку;
• по способу воздействия тепловой энергии на спаиваемые поверхности и припой рассматривают методы пайки — контактный и бесконтактный, а также виды пайки, непосредственно реализующие тот или иной метод — контактная пайка паяльниками и паяльными станциями, пайка горячим воздухом, конвекционная пайка, инфракрасная пайка, лазерная пайка и др.
В литературе можно встретить такие понятия, как пайка волной и оплавлением припоя.
Сделаем необходимые пояснения. С групповой и локальной пайкой все вроде бы понятно. В одном случае разогревается вся плата целиком, а в другом — ее локальная область. Под автоматической подразумевается процесс, когда температура в точке пайки контролируется специальной программой. В этом случае, как правило, при помощи датчиков измеряется реальная температура, по значению которой корректируется термопрофиль — управляемое по времени и по специально установленному закону изменение температуры в области пайки (рис. 1).
Рис. 1. Стандартный термопрофиль для монтажа с использованием паяльной пасты
Термопрофиль обеспечивает, во избежании термоудара, плавный предварительный подогрев печатной платы и компонентов (со скоростью до 2,5°С/с). При использовании паяльной пасты в течение некоторого времени (до 100 с) удерживается температура (до 150°С), что необходимо для активации флюса в пасте, затем осуществляется форсированный нагрев до температуры формирования диффузии (для припоев со свинцом 215...220°С, для припоев без свинца 230...235°С), выдержку в течении нескольких секунд и плавное остывание для прекращения формирования диффузии (со скоростью 3-5°С/с и до комнатной температуры). Паяльная паста представляет собой вязкую массу, состоящую из мелких шариков припоя и флюса.
Ручная пайка происходит при непосредственном участии человека, контролирующего процесс воздействия температурой.
Контактная пайка паяльниками и паяльными станциями (рис. 2) осуществляется при прямом прикосновении разогретого наконечника (жала) нагревательного инструмента (паяльника) к точке пайки.
Рис. 2. Цифровая паяльная станция ERSA Digital 2000A для контактной пайки с набором термоинструмента
В этом случае скорость передачи тепловой энергии максимальна, что позволяет наиболее эффективно контролировать процесс и получать правильную структуру металла в диффузионном слое. При этом виде пайки тепловому воздействию подвергается только вывод компонента и контакт печатной платы, а не обширные области проводящих дорожек и микросхем. Но существуют компоненты с расположением выводов, недоступным для прямого контакта (BGA, CSP, Flip Chip), и в этих случаях приходится пользоваться бесконтактными методами (рис. 3).
Рис. 3. Микросхемы с корпусом BGA (Ball Grid Array — матрица шариковых выводов)
Бесконтактная пайка реализуется следующими видами:
1. Пайка горячим воздухом производится с помощью термофена, когда струя разогретого воздуха вырывается из сопла инструмента и расплавляет заранее нанесенный припой или паяльную пасту (рис. 4).
Рис. 4. Термофен с цифровой регулировкой температуры Lukey 850D
В этом случае невозможно с необходимой точностью контролировать температуру в точке пайки. Кроме того, нагреву подвергаются соседние элементы и печатная плата. При движении воздух может получать электростатический заряд, который, как известно, оказывает негативное воздействие на электронные компоненты. Достоинством пайки термофеном является его дешевизна и доступность широкому кругу мастеров. Кроме того, плавное увеличение температуры в рабочей области (за счет постепенного прогрева воздуха) позволяет монтировать и демонтировать керамические элементы (керамика, как известно, подвержена механическому разрушению при быстром росте тепла).
2. Конвекционная пайка осуществляется при помощи конвекционных паяльных систем и центров, основой которых является подача и циркуляция горячего воздуха в замкнутом пространстве, образованном специальным коробом (соплом), накрывающим микросхему (рис.5).
Недостатком этого вида пайки является неравномерный нагрев области пайки, размещенной под соплом (рис.6).
Рис. 6. Термограммы локального нагрева плоскости при использовании различных сопел
Кроме того, под различные типы элементов необходимо иметь различные формы и конструкции сопел.
3. Инфракрасная пайка выполняется инфракрасными паяльно-ремонтными центрами (рис. 7).
Рис. 7. Инфракрасный паяльно-ремонтный центр ERSA IR 550A
В ее основе — нагрев места пайки инфракрасными (ИК) лучами — электромагнитными волнами с длиной волны от 2 до 8 мкм. С помощью ИК излучения удается наиболее равномерно разогреть конкретную область (рис. 8).
Размеры площади нагрева можно регулировать, перемещая экранирующие шторки облучателя. А если под тепловые лучи попадают термочувствительные элементы и зоны (пластмассовые разъемы и т.п.), то достаточно их просто накрыть отражающей фольгой (клейкой лентой-скотч с повышенным коэффициентом отражения). Для предварительного прогрева печатной платы и компонентов (особенно керамических), а также для выравнивания изменения температуры по вертикали, в ИК паяльно-ремонтных центрах наряду с верхним (основным) облучателем применяется дополнительный ИК нагрев снизу.
Что касается «волны» и «оплавления», — то эти термины используются при рассмотрении групповой пайки, т.е. на стадии производства РЭУ. При пайке «волной» плата с размещенными компонентами подвергается воздействию потока (волны) припоя, настигающего ее, в следствие чего расплавленный металл остается на подготовленных контактах, закрепляя тем самым компоненты. При пайке «оплавлением» (расплавлением) припой, нанесенный в виде паяльной пасты, подвергается температурному воздействию бесконтактным методом. Как правило, это происходит в специальных печах,позволяющих разогревать всю плату целиком, а не локальную область. В таких печах в большинстве случаев используется комбинированный вид пайки — конвекционно-инфракрасная, а процесс изменения температуры определяется термопрофилем.
Теперь возвратимся к диффузии и ее роли в получении качественной пайки. При нагреве места пайки до температуры плавления припоя 183°С* (для припоев без свинца — 222°С) жидкий сплав, за счет сил поверхностного натяжения, «притянет» вывод компонента и контактную площадку (рис. 9).
Химического соединения на этом этапе не произойдет. Со временем поверхности металлов окислятся, и электрический контакт пропадет. Вполне возможно, что под действием различных дестабилизирующих факторов отделится от площадки и сам компонент. Такое
соединение мастера называют «холодной пайкой». Если продолжить процесс нагрева, то при температуре 215...220°С (230...235°С для припоев без свинца) происходит химическая диффузия. Толщина интерметаллического слоя будет расти в зависимости от продолжительности прогрева или увеличения температуры (рис. 10).
Специальные исследования показывают, что с увеличением толщины диффузионного перехода, ухудшаются характеристики эластичности паяного соединения и, соответственно, уменьшается его механическая прочность (рис. 11).
При силовом воздействии или скачке температур такие контакты разрушаются. Указанные данные широко представлены в публикациях германской компании ERSA — крупнейшего производителя паяльного оборудования [2]. Для получения оптимального качества пайки толщина диффузного перехода должна составлять 0,5 мкм, и формируется такое соединение в течение двух секунд под воздействием температуры 220°С, а для припоев без свинца — в течение пяти секунд при температуре 235°С. Подводя итог, следует отметить, что качественную пайку можно получить только при определенной температуре припоя и спаиваемых поверхностей. Перегрев, как и недостаточный нагрев впоследствии приведут к неисправности РЭУ.
* каждому типу припоя соответствует своя температура плавления. Для свинцовых сплавов она равна 180...190°С, для Lead-free — 211...260С В статье рассматриваются наиболее распространенные случаи, имеющие место в практике.
Из сказанного выше можно сделать вывод: при автоматической пайке качество паяного соединения определяется параметрами термопрофиля и техническими показателями паяльного инструмента. При
ручной пайке все обстоит значительно сложнее. Ремонтник в состоянии контролировать только время пайки, а неизбежно происходящее при этом изменение температуры будет зависеть от конструкции и типа паяльника. Здесь без сомнения в идеале лучше воспользоваться цифровыми паяльными станциями, позволяющими измерять реальную температуру нагрева наконечника и стабилизировать ее. Сам наконечник (жало) должен обладать малой теплоинерционностью и хорошей теплопроводностью, чтобы процесс отдачи и восстановления тепла не затягивался по времени. К таким паяльникам относятся инструменты с полым наконечником, надетым на керамический нагревательный элемент, способный осуществлять форсированный нагрев.
При использовании обычного паяльника с нихромовым (NiCr) проволочным нагревателем во время серии контактов с областью пайки температура медного и массивного жала, разогретого изначально до 350-400°С, уменьшается вплоть до значений, приводящих к «холодной пайке». И в этом случае только длительный опыт работы с конкретным инструментом может подсказать, какие действия привели к качественной пайке, а какие — к перегреву или недостаточному нагреву соединения.
Что касается пайки инструментом с керамическим нагревателем и полым жалом, (первоначально разогретым в зависимости от типа паяльника до 280-350°С, то в моменты контактов изменения температуры
наконечника будут находиться в пределах «контролируемой зоны» (215-240°С), позволяющей получить достаточно качественные соединения. Оператору останется только выдерживать время прикосновения к точке пайки, которое на практике должно находиться в пределах 1....5 с.
Важно отметить, что формирование диффузии особенно актуально в процессе монтажа. При демонтаже достаточно прогреть соединение до температуры плавления припоя (определяется визуально) и затем отсоединяют электронный компонент. В этом случае печатная плата не подвергнется лишнему нагреву, а также не будет формироваться нежелательный интерметаллический переход между остатками припоя и контактными поверхностями. Следует также учесть, что при любом процессе и любых типах припоя нежелательно воздействовать на плату с электронными компонентами температурой больше 250°С.
При пайке важная роль отводится составу припоя. Качественными считаются сплавы, содержащие не более 1% дополнительных примесей (меди, сурьмы, кадмия, висмута, цинка и других металлов). От «чистоты» припоя, как и от формирования диффузии, зависит прочность соединения. Поэтому использование дешевого азиатского «зелья» сводит на нет применение дорогой паяльной станции. Также следует использовать припой проволочного типа.
Качественный припой отличить от некачественного можно по мягкости: хороший припой рвется, а с примесями — тянется как пластилин. В процессе пайки следует постоянно очищать жало от отработанного сплава, который уже не соответствует требованиям качества. Лучше это делать специальной чистящей губкой, смоченной в воде. Если наконечник паяльника имеет многослойную структуру (например, покрыт хромом), использование губки обязательно, так как абразивные материалы (напильники и т.п.) очень быстро приведут его в негодность. По окончании работ, перед выключением паяльника, следует нанести припой на рабочую поверхность жала и дать ему затвердеть. Это будет препятствовать разрушительному окислению и продлит срок службы наконечника.
Флюсы, как известно, применяются для растворения и удаления оксидов, образующихся на поверхностях основных материалов и припоя, а также предотвращают дальнейшее окисление в процессе пайки. Оксидная пленка покрывает металл в результате взаимодействия с атмосферным кислородом и мешает созданию химических связей (затрудняет диффузию). Поэтому применение флюса тоже определяет качество пайки. Существующие композиции условно делятся на активные (кислотные) и слабоактивные. Применение кислотных флюсов при монтаже электронных узлов не допускается. Слабоактивные изготовлены на основе природных или синтетических смол. В эту группу также входит канифоль и ее растворы. Бытует мнение, что остатки флюса на поверхности платы не только снижают сопротивление изоляции, но и в определенных условиях приводят к возникновению ионогенных загрязнений — вследствие чего под действием электролиза формируются проводящие перемычки (дендриты). Есть мнения, опровергающие данный факт, как не встречающийся в практике. Но следует учесть, что чем активнее флюс, тем больше необходимость удаления его остатков. Если чистка невозможна, то следует применять так называемые флюсы «No-Clean», не требующие выполнения этой процедуры. С хорошей стороны себя зарекомендовали спиртосодержащие, бесканифольные растворы с органическими добавками, не требующие смывки. Жидкий флюс необходимо наносить непосредственно перед нагревом соединения, пользуясь специальными кисточками или флюс-аппликатором (антистатический резервуар с кисточкой). Удалять остатки, если этого требует процесс, лучше специальной чистящей жидкостью «Flux Remover» или, в худшем случае, смесью бензина и спирта.
Литература
1. Большая советская энциклопедия, Москва, «Советская энциклопедия», 1926 г.
2. http://www.ersa.ru
№6 «Ремонт & Сервис» июнь 2004
|
