CC BY
193Компоненты и технологии, № 7'2004
Продолжение. Начало в № 6'2004
«AIM» означает «цель»
Настоящая публикация представляет собой обзор паяльных паст производства компании AIM, их свойств и особенностей работы с ними.
Наталия Лебедева
aim@pribor.ru
Александр Переятенец, к. т. н.
pribor@pribor.ru
Компания AIM производит ряд паяльных паст, различающихся по своим свойствам, области применения и упаковке. Производимые фирмой AIM паяльные пасты относятся к материалам, предназначенным для поверхностного монтажа. Основными преимуществами этих паяльных паст перед другими паяльными формулами являются: точность дозирования припоя и флюса, способствующего предотвращению растекания припоя, что, в свою очередь, обеспечивает хороший внешний вид соединения и возможность подачи припоя в соединения сложной конфигурации.
Паяльные пасты представляют собой механическую смесь ряда субстанций: флюса, порошкообразного сплава-припоя и связующего материала. При этом свойства паяльной пасты обусловлены характеристиками входящих в ее состав веществ: Порошкообразный сплав-припой Состав сплава
Компания AIM изготавливает паяльные пасты на основе любого из сплавов производства этой
компании. Таблицы с составами и характеристиками этих сплавов см. в предыдущем номере «КиТ».
Составом сплава обуславливаются физические свойства пасты, а также определяется температурный режим пайки. Наиболее распространенными являются эвтектические сплавы Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37.
Таблица 1. Классификация размеров шариков припоя в составе паяльных паст AIM
Размер частиц Тип
75 микрон 2
45 микрон 3
25 микрон 4
20 микрон 5
Размер и форма порошковых частиц Современные средства производства позволяют компании AIM получать широкий спектр дисперсности порошков всех сплавов, как основных, так и специальных. Дисперсность порошка определяется величиной зазора и методом нанесения паст на поверхность паяемых соединений. Наиболее универсальным размером металлических частиц можно считать 45 микрон, что является типом 3 по классификации AIM (табл. 1). Для печати с мелким шагом может использоваться паяльная паста с металлическими частицами меньшего размера — тип 4 и 5. Форма частиц во многом определяет возможность нанесения пасты тем или иным способом. Частицы сферической формы позволяют наносить пасту как через дозатор, так и через трафарет-сетку.
Содержание металла в пасте Содержание металла определяет толщину оплавленного припоя, оседание и растекание порций пасты и другие свойства. Обычно содержание металла варьируется в пределах 85-90% по массе, что является наиболее приемлемым для большинства практических применений.
Флюс Тип флюса
Вводимый в паяльную пасту флюс играет ту же роль, что и флюс, используемый при контактной пайке. Для изготовления паст фирмой AIM используются различные типы флюсов: безотмывные, водосмываемые и RMA, отмывка которых осуществляется специальными средствами. Тип и состав флюса влияет на температурный режим пасты,
Компоненты и технологии, № 7'2004
ее физические свойства, обуславливает ее активность и особенности отмывки.
Связующие вещества
Связующие вещества, вводимые в порошок припоя, обычно нейтральны к припою в процессе хранения и пайки, а при нагревании расплавляются и испаряются без образования трудноудаляемых твердых остатков. Именно связующие вещества придают паяльной пасте требуемую вязкость, препятствуют ее расслоению и растеканию, определяют разрешающую способность пасты и обеспечивают ее клеящие и адгезивные свойства.
С помощью подбора компонентов пасты можно изменять характеристики пасты, в частности, ее реологические характеристики, включая способность пасты к вязкому течению и деформации. Обычно пасты с низкой вязкостью используются при необходимости их нанесения на большую поверхность, а более вязкие пасты чаще используются для автоматического дозирования. Как правило, способ нанесения определяет и вариант фасовки: банки, тубы, картриджи.
Рассмотрим различные типы паяльных паст AIM и их свойства на примере паст, изготовленных на основе серебросодержащего сплава Sn62/Pb36/Ag2. Этот сплав является наиболее распространенным в ряду традиционных сплавов, содержащих свинец, и характеризуется температурой плавления 179 °С. Бессвинцо-вые паяльные пасты будут рассмотрены в одном из последующих номеров журнала.
Паяльные пасты, не требующие отмывки
Паяльные пасты этого типа разработаны фирмой AIM на основе синтетических материалов. Остатки таких паст не являются коррозийными и токопроводящими и могут быть оставлены на плате без отмывки. Тем не менее ряд производственных процессов требует повышенной надежности производимой продукции и, следовательно, отмывки остатков паст с печатных плат. В этом
Таблица 2. Безотмывные паяльные пасты AIM
Наименование NC251 293+ NC297DX
Содержание металла, % для стандартной трафаретной печати 90,25 89,5 89,5
Максимальная скорость печати, мм/с 155 205 305
Время жизни после нанесения, ч 8-12 8-12 16
Время жизни на трафарете, ч 12-14 14-16 24
Упаковка банка 0,5 кг банка 0,5 кг шприц 10 мл (35 г)
Особенности Позволяет проводить контактные пробы без отмывки Рекомендуется для печати компонентов с мелким шагом Высокая скорость нанесения
Таблица 3. Сравнительные характеристики безотмывных паяльных паст AIM
Улучшенное смачивание Рекомендуется для нанесения через дозатор Рекомендуется для высокоскоростной печати Рекомендуется для серийного производства Улучшенная клейкость
251 • • • •
293+ • • •
297DX • • •
случае для отмывки могут применяться специальные средства, изготовленные компанией AIM, на которых подробнее мы остановимся в будущем.
Все безотмывные паяльные пасты AIM совместимы с любым безотмывным флюсом производства этой компании, а также с любым трубчатым припоем AIM, рекомендованным компанией для работы с безотмыв-ными материалами.
Свойства и сравнительные характеристики некоторых паст AIM безотмывного типа приведены в таблицах 2 и 3.
Все перечисленные в таблицах 2 и 3 пасты соответствуют требованиям Bellcore и IPC. Одним из бесспорных преимуществ приведенных паст является продолжительное время жизни на трафарете и улучшенная реакция на простой трафарета. Кроме того, все безот-мывные паяльные пасты AIM имеют длительный срок хранения: до 1 года в холодильнике при температуре около 4°С и до 6 месяцев при комнатной температуре.
Оплавление всех этих паст может происходить в воздушной среде без использования
инертных газов. Для них рекомендуется два вида температурного режима: режим типа «нагрев-пик» (рис. 3) и режим типа «нагрев-выдержка-пик» (рис. 4).
Как показано на рис. 3, режим типа «нагрев-пик» представляет собой линейное повышение температуры от температуры окружающей среды до температуры пика. Он применяется для паяльных материалов любого химического состава, включая бессвинцовые. Продолжительность нагрева от температуры окружающей среды до пика составляет около 3,5-4 мин. Пиковую температуру рекомендуется поддерживать на уровне 215±5 °С в течение 60±4 с. Скорость охлаждения при этом должна составлять около 4 °С в секунду.
Можно отметить некоторые преимущества этого режима относительно температурного режима типа «нагрев-выдержка-пик». Поскольку при режиме «нагрев-пик» скорость нагрева значительно ниже (на 0,7-0,8 °С в секунду), существенно снижается вероятность повреждения компонентов в результате термального удара, связанного с чрезмерной скоростью нагрева. Более того, паяные соединения
Компоненты и технологии, № 7'2004
при оплавлении согласно этому режиму имеют зачастую лучший внешний вид и качество пайки, чем соединения, полученные путем «нагрев-выдержка-пик». Это объясняется тем, что в первом случае флюс, входящий в состав паяльной пасты, сохраняет свою активность в течение периода нагрева, что в свою очередь, обеспечивает лучшее смачивание.
Режим типа «нагрев-выдержка-пик» применяется в случаях, когда по каким-то причинам существует значительная разница температур между составляющими узла или оборудование не может поддерживать необходимую скорость нагрева до пиковой температуры. Как видно из рис. 4, режим пайки начинается с постепенного контролируемого нагрева до температуры около 150 °С в течение 90 с. Скорость нагрева при этом не должна превышать 2-3 °С в секунду во избежание разбрызгивания припоя и термоудара компонентов.
После зоны нагрева следует зона выдержки платы при температуре 150-170 °С в течение 90 с. Температура в этой зоне не должна превышать 170 °С, так как именно при этой температуре начинается экспоненциальное разрушение активирующих систем многих паст.
Стадия выдержки применяется для достижения равновесия температур собранной платы перед пиком температуры оплавления. Следует помнить, что чрезмерно продолжительная выдержка может привести к преждевременному разрушению активирующих веществ паяльной пасты.
Водосмываемые паяльные пасты AIM
Водосмываемые паяльные пасты, как правило, активированы органическими веществами и имеют кислотную реакцию. Этим объясняется необходимость отмывки с платы остатков этих паст, которые могут послужить причиной коррозии. Как правило, чем более активна паста, тем короче допустимый промежуток времени между оплавлением и отмывкой, которая производится горячей водой.
Таблица 4. Водосмываемые паяльные пасты AIM
Наименование WS 483 WS 477Y6
Содержание металла, % для стандартной 89,5 89,5
трафаретной печати
Время жизни после нанесения, ч 24 16
Время жизни на трафарете, ч 48 24
Содержание галидов Нет Нет
Срок хранения при 4±2 °С 6 мес. 3 мес.
Особенности Высокая активность; пролонгированный период между оплавлением и отмывкой Рекомендуется для непрерывного режима работы
Таблица S. Сравнительные характеристики безотмывных паяльных паст AIM
Улучшенное смачивание Рекомендуется для высокоскоростной печати Рекомендуется для серийного производства Продолжительное время жизни на трафарете и простоя трафарета Повышенная устойчивость к влажности и теплу внешней среды Улучшенная клейкость
WS483 • • • • • •
WS477 Y6 • •
Следует отметить, что, как правило, для оплавления водосмываемых паст рекомендуется использовать температурный режим «нагрев-пик» (рис. 3). Это связано с тем, использование режима «нагрев-выдержка-пик» может негативно влиять на активность водосмываемых паяльных паст.
Основные характеристики водосмываемых паяльных паст AIM сведены в таблицах 4 и 5.
Все водосмываемые паяльные пасты настоятельно рекомендуется хранить в холодильнике при температуре около 4 °С. Они совместимы с любыми водосмываемыми флюсами и трубчатыми припоями производства AIM, предназначенными для работы с водосмываемыми материалами.
Указанные в таблицах 4 и 5 пасты могут быть рекомендованы как для трафаретной печати, так и для нанесения через дозатор.
Паяльные пасты RMA AIM
Паяльные пасты RMA являются активными пастами, разработанными на основе канифоли. Свойства паяльных паст RMA от AIM могут быть рассмотрены на примере наиболее широко применяемой пасты RMA/NC 212, характеристики которой приведены в таблицах 6 и 7. RMA/NC 212 сочетает свойства:
• безотмывных паяльных паст, так как остатки этой пасты могут быть оставлены на плате без отмывки (тем не менее совместимость остатков зависит от требований, предъявляемых к плате);
• RMA-паст, демонстрируя высокую активность и смачивание.
Таблица 6. Паяльная паста RMA/NC 212
Наименование RMA/NC 212
Содержание металла, % для стандартной трафаретной печати 89,5
Время жизни после нанесения, ч 72
Время жизни на трафарете, ч 48
Особенности Улучшенные смачивание и активность; низкий
уровень остатков.
ИМЛ-пасты могут применяться в сочетании с ИМЛ-флюсами и трубчатыми припоями, совместимыми с ИМЛ-материалами. Остатки этих паст могут быть удалены с платы с помощью специальных средств для отмывки.
Оплавление RMA/NC 212 производится соответственно термическому режиму «нагрев-выдержка-пик» (рис. 4). RMA/NC 212, подобно безотмывным паяльным пастам AIM, сохраняет свои свойства в течение 1 года в холодильнике при температуре около 4 °С и в течение 6 месяцев при комнатной температуре.
Все паяльные пасты AIM поставляются в стандартных упаковках, а также могут поставляться в специальных упаковках по требованию заказчика. Наиболее употребляемыми стандартными являются:
• банки 500 г для трафаретной печати;
• шприцы 10 см3 с содержанием пасты 35 г.
В таблице 7 приведено соответствие некоторых паяльных паст производства AIM и LOCTITE (MULTICORE).
Таблица 7. Соответствие паяльных паст производства AIM и LOCTITE (MULTICORE)
LOCTITE (MULTICORE) AIM
RM89 297DX
Паяльные пасты RM92 293+/251
безотмывные RP11 293+/251
CR32 293+/251
Паяльные пасты водосмываемые WS12 WS13 WS22 483 483 483
Паяльные пасты RM92 212
RMA RM89 212
Компоненты и технологии, № 7'2004
Таблица 8. Проблемы, возникающие в процессе применения паяльных паст
Проблемы Причины
Образование токопроводящих перемычек Излишки нанесения пасты, некорректная установка компонентов, паяемость платы и компонентов
Пористость паяного соединения Чрезмерное время или температура оплавления
Разбрызгивание припоя Низкая температура предварительного нагрева, слишком быстрый нагрев, загрязнение пасты оксидами, излишки пасты
Эффект «надгробного камня» (іотЬзІопіпд) Избыточная скорость нагрева, несоответствие размеров площадки и компонента
Белые остатки на плате Окисление пасты, слишком длительная выдержка при температуре плавления.
Обесцвеченные соединения Окисление пасты, загрязнение платы или компонентов, излишнее время выдержки.
Образование бусин или валиков припоя Излишки пасты; некорректная установка компонентов.
Являясь сложной субстанцией, любая паяльная паста требует соблюдения определенных правил хранения, подготовки к работе, нанесения и оплавления. Краткие сведения о наиболее распространенных проблемах, возникающих в процессе применения паяльных паст, и способы их устранения приведены в таблице 8.
Вместе с тем в значительном количестве случаев дефекты поверхностного монтажа зарождаются еще до того, как паяльная паста была извлечена из упаковки. Дело в том, что разработанные изготовителем характеристики паяльных паст (время схватывания, время жизни на трафарете, реология) по мере старения пасты могут ухудшаться. Этих изменений можно избежать, соблюдая условия транспортировки, хранения и применения. Остановимся подробнее на основных факторах, влияющих на свойства паяльных паст.
Воздействие окружающей среды. Паяльные пасты особенно чувствительны к теплу и влажности, воздействие которых может существенно повлиять на свойства и срок хранения пасты. Некоторое расслоение паяльной пасты, когда на ее поверхности появляется небольшое количество флюса, является нормальным. Но в результате воздействия избыточного тепла расслоение пасты резко возрастает, приводя к изменению ее реологии и, следовательно, дефектам печати и оплавления. Внешним признаком этого явления может служить значительное количество флюса, выделившееся на поверхности пасты.
Поскольку все паяльные пасты гигроскопичны, по отношению к ним влажность является одним из наиболее разрушающих загрязняющих агентов. Паяемость пасты зависит от окисленности и загрязненности поверхности частиц порошка припоя. Усиление окисления порошкового припоя в результате воздействия влажности ведет к уменьшению остаточной активности флюса, так как большая часть его активности расходуется на очистку порошкового припоя от окислов. Результатом может быть ухудшение смачивания, растекание, ведущее к образованию токопроводящих перемычек, разбрызгивание флюса и сокращение времени схватывания.
Принципы транспортировки заключаются в минимизации негативного воздействия окружающей среды на паяльную пасту и сводятся к сокращению времени транспортировки и использованию термоизоляционной упаковки.
Паяльную пасту рекомендуется хранить в холодильнике при температуре около 4 °С, что в большинстве случаев удваивает срок ее хранения. При невозможности хранить пасту в холодильнике необходимо контролировать температуру и влажность воздуха в помещении, где
хранится паяльная паста, не допуская резких перепадов. Температура воздуха не должна превышать 25 °С, а влажность — 80%.
При подготовке паяльной пасты к работе следует извлечь ее из холодильника и дать ей возможность прогреться естественным путем до комнатной температуры. Не следует распечатывать пасту и открывать банку до того, как паста полностью прогреется, что в среднем занимает 4-6 часов. Не следует пытаться форсировать процесс прогревания пасты, так как это может привести к ее расслоению или негативно отразиться на ее реологии.
После того как паста согреется, ее необходимо аккуратно и тщательно перемешать в одном направлении в течение 1-3 минут. Это обеспечивает соединение расслоившихся составных частей пасты. Тем не менее не следует перемешивать пасту слишком интенсивно или слишком долго, так как это может привести к ее разжижению и, следовательно, к возможному растеканию пасты и образованию токопроводящих перемычек.
Процесс подготовки паяльной пасты к работе можно автоматизировать путем использования специальных устройств для подготовки паяльной пасты. Такие устройства сводят подогрев и перемешивание пасты в единую автоматически выполняемую операцию, что в конечном счете благоприятно влияет на весь производственный процесс. Подготовка паяльной пасты к непосредственному использованию и приведение ее в оптимальное рабочее состояние происходит не более чем за четверть часа независимо от ее исходной температуры.
Как уже было отмечено, воздействие тепла и влажности разрушительно для пасты. В идеале, температура и влажность воздуха в зоне печати должны составлять 22-26 °С и 40-50%. Кроме того, не должно быть воздушных потоков (теплых или холодных), направленных непосредственно на трафарет, так как это вызывает подсыхание пасты. Следует заметить, что некоторые принтеры, оснащенные системами контроля внешней среды, могут вызывать циркуляцию воздуха вокруг трафарета. Путем несложных модификаций эта циркуляция может быть устранена или значительно сокращена, что в большой степени продлевает жизнь пасты на трафарете.
Первичное количество пасты, наносимой на трафарет при начале работы, превышает необходимое в 2-3 раза. Длина первичного валика пасты должна соответствовать области печати, диаметр — около 13-17 мм. Для обеспечения качественной печати необходим контроль количества пасты во время работы принтера. Это достигается путем добавления пасты небольшими количествами через короткие интервалы для обеспечения постоянного наличия свежей пасты на трафарете. Напротив, если добавлять пасту большими порциями 1-2 раза за смену, то ее качество может ухудшаться за счет длительного воздействия окружающей среды.
Распечатанные банки с пастой рекомендуется хранить плотно закрытыми при комнатной температуре, не помещая их в холодильник. Повторное охлаждение пасты может привести к конденсации влаги, поступившей в пасту из окружающего воздуха и, как следствие, к описанным выше проблемам, связанным с воздействием влаги.
Возможно повторное использование оставшейся на трафарете пасты, хотя это и не является широко рекомендуемой практикой. В этом случае следует собрать оставшуюся пасту в отдельную банку и затем добавлять ее на трафарет в равных пропорциях со свежей пастой. Пропорции могут варьироваться для достижения наилучшего эффекта, но в целом этот метод способствует минимизации ущерба качеству печати. Тем не менее многие производственные компании предпочитают не использовать пасту повторно во избежание возможных проблем.
Частота очистки трафарета зависит от особенностей конкретного процесса. Иногда требуется очищать трафарет после каждой платы, и иногда — один раз за смену. В любом случае, для очистки трафарета следует применять специальные средства, не вызывающие высыхание пасты. Однако, следует тщательно удалять излишки средства с трафарета, так как они могут вызывать разжижение пасты или препятствовать нормальному скольжению пасты по трафарету.
В заключение следует сказать несколько слов о необходимости соблюдения правил безопасности при работе с паяльными пастами, являющимися умеренно опасными веществами. Использование соответствующей рабочей одежды и перчаток, хорошая вентиляция рабочей зоны и аккуратное хранение пасты являются необходимыми мерами предосторожности в работе с этими материалами.
В следующей статье будут рассмотрены предлагаемые компанией AIM отмывочные жидкости, клеи и специальные материалы. I
Продолжение следует
