CC BY
73Компоненты и технологии, № 2'2004 Технологии
Паяльные флюсы
ІЇ8001 и ІР8300
Для ремонтных целей лучшими являются флюсы и гели, которые не требуют дополнительных процедур после пайки, например, промывки, продувки сжатым воздухом и других операций.
Игорь Евсюков
Процесс пайки известен с давних пор. Есть предположение, что первыми людьми, которые приспособили железный нагреватель для починки посуды из меди, были древние египтяне. С тех пор прошло много времени, изменились инструменты, приспособления, расходные материалы и так далее, однако сам процесс пайки особенных перемен не претерпел. И сейчас мы понимаем под термином «пайка» технологический процесс образования электромеханического контакта между двумя и более металлами под действием температуры.
Материалы, применяющиеся в современной технологии пайки, обеспечивают уже не столько механическую прочность паяного соединения, сколько оптимизируют сам процесс соединения материалов. В этом процессе учитывается множество физико-химических явлений, протекающих в твердой, жидкой и газообразных фазах, таких, как окисление, восстановление, испарение, возгонка, смачивание, капиллярное течение, диффузия, растворение, пластифицирование и т. д.
Еще на заре радиоприборостроения было отмечено, что соединение пайкой различных металлов происходит наилучшим образом, если применить предварительную очистку области предполагаемого места пайки. Однако некоторые металлы даже
178
после очистки было трудно спаять между собой. Как показало применение химических основ процессов паяния, это обуславливалось рядом факторов, в числе которых можно было выделить:
1. Быстрое окисление поверхности спаиваемого металла, например, алюминия, который из-за контакта с кислородом воздуха практически сразу после зачистки вновь образовывал оксидную пленку, надежно предохраняющую материал от дальнейшего термохимического контакта при паянии. Это явление подтолкнуло технологов к поиску материалов, обеспечивающих не только предварительную очистку материала, но и последующее предохранение зачищенной области от контакта с воздушной средой. Появились отдельные направления в области пайки, такие, как пайка в вакууме, пайка в инертном газе и так далее.
2. Плохое диффузионное проникновение припоя в спаиваемый материал по области контакта. Это привело к тому, что технология потребовала разработки новых припоев, которые обеспечивали глубокое диффузионное проникновение в спаиваемый материал. Были созданы припои, содержащие не только олово и свинец, но и целый комплекс материалов как металлических, так и неметаллических химических свойств. Были созданы припои с цинком, серебром, кадмием, хромом, фосфором, никелем, марганцем, а также припои с более сложной структурой, содержащие органические компоненты (соли, кислотные основания, щелочные группы).
3. Плохое качество паяного соединения, выражающееся в ненадежном механическом соединении спаиваемых металлов, быстром временном разрушении места пайки, разрушении материала-основы, на котором производилась пайка (печатная плата, точки крепления выводов корпусов радиоэлементов), повышенное переходное сопротивление места пайки из-за разной электропроводности материалов и диффузионного слоя. Этот фактор определил поиск такой технологии пайки и таких материалов, которые обеспечивали бы все требования по надежности паяного соединения.
-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 2'2004
Технологии
4. Обеспечение локального прогрева места пайки. Это требование возникло после появления миниатюрных и субминиатюр-ных корпусов радиоэлементов. Необходимо было не только нагреть и спаять контакты, но и обеспечить очень локальный прогрев зоны пайки, как правило, в пределах одного корпуса элемента. Эта проблема была разрешена за счет применения различных насадок на жала паяльника, применения паяльников без механического контакта с материалами припоя и основы. Появилось отдельное направление — инфракрасная пайка световым потоком, разогревающим только место предполагаемой пайки.
Существует еще целый ряд факторов, которые необходимо учитывать для улучшения качества пайки. Однако все эти факторы имеют еще одну подоснову, без которой современный процесс пайки невозможен.
По-прежнему очень актуален вопрос: как очистить зону пайки от посторонних примесей, мешающих процессу пайки и насытить зону пайки катализаторами образования паяного соединения? Для этой цели был разработан комплекс химически активных веществ, получивших впоследствии свое собственное название — «флюсы». Самая первая капля сосновой смолы попала в место пайки, очевидно, случайно. Получилась пайка со свойствами, значительно превосходящими все паяные соединения до того. Это дало мощный стимул к изучению свойств других материалов, повышающих качество пайки, как правило, являющихся по своей природе неметаллами. Поиск и применение таких материалов привели к тому, что стало возможно при пайке обойтись практически без предварительной очистки спаиваемых материалов, а производить очистку соединения прямо во время пайки при предварительном прогреве зоны пайки. Флюсы начинают вступать в физико-химическое взаимодействие с материалами при более низкой температуре, чем температура расплава припоя, активизируют вещества — катализаторы пайки и практически прекращают свое существование, испаряясь вместе с летучими окислами, водяным паром, адсорбированным газом из материала основы и другими компонентами, переходящими в газообразное состояние при пайке. Незначительное количество твердых веществ — катализаторов пайки, содержащихся во флюсе, остается либо внутри припоя, не ухудшая электрические и механические свойства пайки, или на поверхности пайки, не вступая в дальнейшее химическое взаимодействие с окружающими материалами.
Развитие флюсов шло постепенно. Самый простой и самый дешевый флюс — отвердевшая сосновая смола (канифоль) — давал весьма достойные результаты при паянии, однако обладал целым комплексом недостатков: платы необходимо было промывать после пайки спиртом или в ультразвуковой ванне, удаляя излишки флюса, он плохо испарялся, недостаточно эффективно очищал целый ряд спаиваемых металлов, обладал достаточно сильной кислой реакцией, что при---------------------www.finestreet.ru-
водило к постепенному разрушению материала платы и корпусов элементов. Для облегчения нанесения и удаления остатков канифоли были созданы растворы на основе канифоли с этиловым спиртом, ацетоном, бензином и другими растворителями. Все эти флюсы легче наносились, однако по-прежнему требовали промывки печатных плат. Пришло время, когда химики-технологи задумались над такими материалами флюсов, которые не требовали бы последующей очистки плат от остатков флюсов. Здесь столкнулись два противоположных направления по самой сути пайки. С одной стороны, окислы хорошо удалялись только кислой составляющей флюса, восстанавливающей металлы из их оксидов. С другой стороны, кислая среда разрушала материал печатной платы. Порой можно было недоочистить плату на толщину слоя флюса, не превышающую десятые и сотые доли микрона, и такая плата через весьма небольшое время расслаивалась, уничтожая все изделие в целом.
Еще более тяжелая ситуация существовала с ремонтом изделий. Если при первичной сборке возможно было прогреть всю плату, обеспечивая пайку по всей плоскости, то при ремонте надо было нагревать плату локально, с точностью до одного корпуса радиоэлемента. Такой локальный тепловой удар приводил к тому, что плата теряла плоскостную геометрию, внутри нее появлялись большие механические напряжения, приводящие даже к разрыву печатных проводников. Наносящийся на место ремонтируемого компонента на плате флюс не успевал проявить всех своих очищающих свойств из-за очень большого градиента температуры в разных частях паяемого соединения. Он попадал под корпус микросхем, откуда удалить его было физически невозможно. Это приводило в конечном счете к тому, что вновь отремонтированная плата служила гораздо меньше, чем вновь собранная. В результате производители вынуждены были вкладывать отдельный комплект ЗИПа из готовых модулей изделия, не надеясь на ремонтно-восстановительные работы отдельных элементов плат. Производство дорожало, потенциальные покупатели отказывались от такой ненадежной техники. До сих пор в нашей стране есть тенденция приобретать готовые платы и элементы конструкций импортного производства для последующей сборки готовых изделий на действующих мощностях наших заводов именно потому, что те же самые платы, собранные в нашей стране из тех же самых радиоэлементов выходили из строя в десятки и сотни раз быстрее, чем аналогичные платы импортного производства. Несмотря на одинаковые комплектующие, одинаковые печатные платы и одинаковую подготовку производства, результаты по главному критерию с точки зрения потребителя — надежности— наша техника существенно уступает полному аналогу импортной.
Более детальное изучение самого процесса пайки приводит к тому, что наша система подготовки производства существенно отличается от зарубежной. Наши технологи вы-
нуждены пользоваться ГОСТами и ТУ, разработанными 20-30 лет назад, значительно ограничивающими разрешение применения новейших материалов и технологий пайки. В результате качество пайки находится где-то посередине между древнеегипетским и современным. Подавляющее количество техники, приобретаемое покупателями в бытовых и в производственных целях, изготавливается в странах Восточной Азии. Это общемировая тенденция, связанная с тем, что европейские производители давно уже ориентируются на наукоемкие технологии, а серийное производство выносят в экономически неразвитые страны (Китай, Корея, Индия и т. д.). Российская техника не может быть конкурентом производителям из Азии только по одному критерию — надежности. Огромная производственная мощность наших заводов оказалась не нужна даже нашим российским потребителям.
В одной статье невозможно отразить все пути повышения конкурентоспособности нашей техники. Предложенный материал для ремонта сложных радиотехнических изделий не сможет решить всех проблем нашей радиоэлектронной промышленности, но может существенно улучшить качество отдельного ее участка — ремонтной базы.
Для ремонтных целей лучшими являются флюсы и гели, которые не требуют дополнительных процедур после пайки, например, промывки, продувки сжатым воздухом и других операций, без которых невозможно обойтись в том случае, если при ремонте используются флюсы с большим содержанием канифоли.
Ведущие мировые производители радиоэлектроники давно используют флюсы No-Clean в жидком виде (IF8001) или в виде геля (IF8300).
Паяльный флюс IF8001 производства фирмы INTERFLUX известен в мировом производстве уже несколько лет. Он применяется в области ремонта и настройки изделий там, где необходимо осуществить быстрый и очень качественный ремонт отдельного компонента на печатной плате. Комбинированный состав флюса дает щелочную реакцию. Это позволяет применять флюс на любой печатной плате без необходимости удаления остатков промывкой всей платы. Главная особенность этого сервисного флюса заключается в том, что температура активизации флюса всего 12 °С, то есть флюс обладает очищающими свойствами уже при комнатной температуре и очищает зону пайки задолго до непосредственно пайки. В процессе пайки он улетучивается на 92%, исключая возможность затекания под корпус монтируемого или демонтируемого элемента. Оставшиеся 8% твердого остатка имеют нетоксичную и неоксидирующую слабощелочную реакцию, которая препятствует химическим и электрохимическим процессам на плате под воздействием окружающей среды. Принципиально допуская промывку платы в ультразвуковой ванне, производитель гарантирует, что плата с неудаленными остатками флюса не теряет качества пайки
е
Компоненты и технологии, № 2'2004
Технологии
по сравнению с такой же платой, на которой монтажно-демонтажные работы не производились. Флюс наносится из диспенсера, фломастером или кистью, применяется для монтажа и демонтажа сложных малогабаритных корпусов микросхем (ВОА, QFP), пайка может производиться паяльником с насадкой мини-волна (шіпі-’МАУЕ) (см. рис. 1), паяльной автоматизированной линией, термопинцетом или инфракрасным паяльником. Флюс надежно исключает замыкание между соседними контактами в процессе пайки.
Флюс IF8001 прошел неоднократные лабораторные проверки на качество флюсования не только непосредственно после пайки, но и после временной выдержки спаиваемых элементов в среде, для которой предназначалось данное изделие. По протоколу независимых испытаний, остатки флюса после пайки в течение 168 часов при влажности 85%
выдерживали постоянный тест на проверку уменьшения сопротивления изоляции не хуже 500 МОм. Другой тест проводился на изменение цвета медного проводника, на который наносился флюс №8001. За тот же период времени изменение цвета проводника не наблюдалось, что свидетельствовало о том, что флюс не реагирует с токоведущими проводниками печатной платы.
Такие уникальные свойства достигаются применением органических соединений в составе флюса на спиртовой основе. Флюс в жидком виде является экологически безопасным, он требует такого же обращения, как этиловый спирт. Флюс относится к числу долгоживущих органических флюсов — гарантийный срок хранения 12 месяцев в комнатных (складских) условиях.
Несколько другой подход к процессу ремонта осуществляется флюсами в виде ге-
Рис. 2
Sample group F — control boards Sample group B — Patten down/no clean Sample group C — Pattern up/no clean Required min.value
ля — IF8300. При сходных свойствах с жидким флюсом, гель переходит в жидкое состояние при температуре 158 °С, одновременно активизируя компоненты в своем составе, разрушающие оксидные пленки и препятствующие их повторному возникновению в процессе пайки. Гель позволяет производить монтажно-демонтажные работы BGA-корпусов микросхем даже без предварительного подогрева платы. Это достигается также за счет того, что активные составляющие флюса, нагретые до температур 160-210 °С, обладают большим теплопроводящим эффектом, а при температурах свыше 220 °С, когда заканчивается процесс оплавления припоя, происходит испарение жидкой составляющей геля. При таком цикле нагрева активные составляющие флюса уже обеспечили необходимое качество очистки места пайки и при охлаждении исключают возможность образования некачественной пайки или появления паразитных контактов между проводниками.
Флюс IF8300 также проходил серию тестов в независимой лаборатории. Одним из них был тест «медного зеркала». Визуальный контроль места пайки с помощью цифрового видеомикроскопа показал отсутствие изменений пайки. Тест показал превосходные результаты по качеству пайки. Тест на временную выдержку остатков флюса показал, что с 11 часов 11 марта до 16 часов 18 марта 2002 года (168-часовой тест) 6 испытуемых образцов обеспечивали сопротивление изоляции при температуре 85 °С и влажности 85% не хуже 800 МОм (рис. 2).
Флюсы рекомендуются многими производителями паяльного оборудования, среди которых — PACE, ERSA, WELLER и XYTRONIC.
Достаточно сложно рассчитать экономический эффект применения в производстве флюсов IF8001 и IF8300. Однако даже с позиции потенциального покупателя ясно, что лучше иметь хорошую надежную технику, имеющую большой коэффициент надежности, чем иметь большой набор ящиков с ЗИПом и постоянно менять вышедшие из строя блоки и ячейки, ругая при этом ни в чем не виноватого разработчика столь ненадежной техники. Может быть, именно тогда наша российская электронная техника сможет достичь требуемого уровня конкурентоспособности.
180
- www.finestreet.ru -
-Q-
