Паяльная паста для пайки SMD и SMT компонентов

https://ostec-materials.ru/knowledge-base/technologies/poverkhnostnyy-montazh/

Паяльная паста представляет собой смесь порошкообразного припоя с частицами сферической формы (желательно), и флюса-связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц припоя и типа флюса.

К паяльным пастам предъявляют следующие требования:

• высокое качество паяных соединений, без разбрызгивания и образования сопутствующих шариков припоя;
• хорошие клеящие свойства для удержания компонентов до пайки;
• высокая стойкость к растеканию при предварительном нагреве;
• минимальное количество легко удаляемых остатков флюса после пайки;
• возможность нанесения методом трафаретной печати или дозированием;
• длительное хранение без изменения свойств.

Паяльные пасты можно классифицировать:

• По характеристикам припоя:
  • свинцовые пасты – со сплавами, которые содержат свинец и бессвинцовые пасты – сплавы, не содержащие свинец;
  • по размеру частиц припоя в соответствии со стандартом IPC/EIA J-STD-005 (см. табл. 4).
• По типу флюса-связки, содержащегося в паяльной пасте, и по материалу основания флюса.
• По удалению остатков флюса:
  • водосмываемые;
  • «не требующие отмывки».
• По технологии применения:
  • паяльные пасты для нанесения дозированием;
  • паяльные пасты для нанесения методом трафаретной печати.
• По температуре плавления – низко- и высокотемпературные паяльные пасты позволяют использовать технологию ступенчатой пайки и паять компоненты, не допускающие нагрева до типовых температур оплавления.
• По типу упаковки.

Состав паяльных паст оговорен в стандартах:

• IPC/EIA J-STD-004 «Требования к флюсам для пайки»
• IPC/EIA J-STD-005 «Требования к паяльным пастам»
• IPC/EIA J-STD-006 «Требования к сплавам припоя с флюсом и без флюса, применяемым в пайке электроники»

https://ostec-materials.ru/knowledge-base/technologies/poverkhnostnyy-montazh/

В настоящее время в производстве электроники находят применение несколько основных типов сплавов: традиционные, бессвинцовые и низкотемпературные.

Традиционные припои – это, главным образом, оловянно-свинцовые эвтектические припои или близкие к ним (см. табл.1). Для технологии поверхностного монтажа рекомендуется применять паяльные пасты на основе припоя Sn62/Pb32/Ag2. Серебро добавляется в припой для повышения прочности паяного соединения и предотвращения миграции серебра, используемого при производстве чип-компонентов.

Табл. 1. Традиционные припои

Бессвинцовые припои призваны заменить свинцовосодержащие, так как директивой RoHS с 01 января 2006 ограничено использование свинца в производстве электроники. Припой Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 с температурой плавления 217 °C позволяет заменить традиционный припой Sn62/Pb32/Ag2 по электрическим и механическим параметрам. Бессвинцовые сплавы обладают высокой прочностью по сравнению со сплавами олово-свинец, более высокой устойчивостью к термоциклированию и рекомендуются для пайки компонентов с различными тепловыми коэффициентами линейного расширения. Главными недостатками этих сплавов являются матовость паяных соединений, высокая цена вследствие большого содержания олова и серебра и высокая температура плавления, требующая увеличения температуры пайки до 235-260 °C (см. табл.2).

Табл. 2. Бессвинцовые припои

https://ostec-materials.ru/knowledge-base/technologies/poverkhnostnyy-montazh/

В зависимости от задач выбор припоя и флюса может определяться следующими основными факторами:

• Температура плавления: основной параметр при выборе сплава. Характеризуется температурами ликвидуса (наивысшая температура, при которой припой ещё твёрдый) и солидуса (наименьшая температура, при которой припой становиться полностью жидким).
• Максимальная и минимальная рабочие температуры конечного изделия: максимальная рабочая температура ограничена температурой плавления припоя. Минимальная – стабильностью характеристик и отсутствием физических изменений (таких, как например «оловянная чума»).
• Содержание опасных компонентов: современные стандарты вводят ограничения на использование токсичных металлов (свинец, кадмий) в определённых задачах.
• Прочность паяного соединения: важный параметр при создании устройств, работающих в условиях вибромеханических нагрузок.
• Совместимость металлов: отсутствие совместимости припоя и металлизации может приводить к полному растворению металлизации и образованию хрупких интерметаллических соединений.
• Стабильность при термоциклировании: прочность паяного соединения при изменении температур. Важный параметр для приборов, работающих в жёстких климатических условиях.
• Электрическая стабильность: определяет стабильность электрических характеристик при воздействии токовых, тепловых, механических нагрузок.
• Коэффициент теплового расширения: не должен резко отличаться от КТР соединяемых материалов для снижения термомеханических напряжений.
• Коэффициент теплопроводности: важен в задачах, где требуется отвод тепла. Теплопроводность низкотемпературных припоев составляет от 10 до 86 Вт/мК.
• Различие в температурах ликвидуса и солидуса: при переходе от точки солидуса к точке ликвидуса даже небольшое механическое воздействие приводит к нарушению кристаллической структуры припоя, что может сделать его более хрупким и увеличить его электрическое сопротивление.
• Коррозионная стойкость: коррозия приводит к увеличению электрического сопротивления и уменьшению прочности паяного соединения.
• Доступные формы припоя: припои изготавливаются в виде проволок, лент, паст, слитков и готовых преформ (прокладок).
• Стоимость: зависит от состава и чистоты сплава.

Флюс в составе пасты выполняет следующие функции:

• образует однородную структуру с припоем;
• обеспечивает необходимые реологические свойства паяльной пасты;
• способствует сохранению формы отпечатков пасты;
• обеспечивает клеящие свойства паяльной пасты для фиксации компонентов после их установки;
• удаляет оксиды с поверхностей, подлежащих пайке, и частиц припоя;
• создает защитную пленку для предотвращения повторного окисления в процессе пайки;
• содействует самоцентрированию компонентов в процессе пайки;
• содействует передаче тепла при пайке.

https://ostec-materials.ru/knowledge-base/technologies/poverkhnostnyy-montazh/

Флюсы, не требующие отмывки

Отличительной особенностью паст с флюсами, не требующими отмывки, является применение в их составе флюса, который не требует обязательного удаления остатков после пайки. Оставшийся на поверхности флюс после пайки не должен способствовать протеканию коррозионных процессов и ухудшать уровень электрических параметров печатной платы и всего печатного узла в целом. Это принципиально важно, т.к. при пайке за счет капиллярного эффекта флюс затекает в узкий зазор (до 50 мкм) между корпусом электронного компонента и печатной платой.

После пайки остатки флюса, не требующего отмывки, сшиваются в полимер, который запечатывает все оставшиеся растворители и активаторы. Этот полимер является хорошим диэлектриком, но при этом он будет чувствителен к внешним воздействиям и разрушается при температурных колебаниях. Разрушение полимера приведет к попаданию на поверхность печатного узла активаторов, обладающих проводимостью и вызывающих коррозионные эффекты во влажной среде.

Решение об отмывке печатных плат в каждом конкретном случае принимают технологи и разработчики РЭА с учетом конструктивных особенностей печатных узлов, уровня технологического оснащения предприятия, а также условий эксплуатации РЭА. В большинстве случаев при изготовлении бытовой и промышленной электроники при использовании высококачественной паяльной пасты отмывка флюса не требуется.

В случае необходимости удаления остатков флюса, например, при эксплуатации изделий в жестких климатических условиях и нанесении влагозащиты, печатные узлы могут быть эффективно отмыты от остатков флюсов после пайки с применением специализированных промывочных жидкостей. Большинство паяльных паст крупных производителей не содержат во флюсе сложноудаляемых компонентов и протестированы на стойкость к отмывке производителями промывочных жидкостей.

Водосмываемые флюсы

Паяльные пасты с водосмываемыми флюсами всегда отличаются хорошей смачиваемостью на разнообразных типах финишных покрытий: иммерсионное олово, иммерсионное серебро, никель/золото, палладий, сплав 42, HASL и OSP как при пайке в воздушной, так и в инертной среде. Эти флюсы содержат большое количество активаторов с учетом, что их остатки после оплавления останутся активными, но будут легко удалены в самое короткое время после пайки.

Остатки флюса водосмываемой паяльной пасты рекомендуется удалить в течение 72 часов после пайки. Наилучшее качество отмывки отмечено при отмывке теплой деонизированной водой в струйных системах отмывки. Чем быстрее будет произведена отмывка остатков водосмываемого флюса, тем меньше будет воздействие на паяные соединения и проще подобрать параметры отмывки для полного удаления остатков флюса.

Параметры отмывки подбираются в зависимости от количества остатков флюса и плотности поверхностного монтажа. Если отмывка печатного узла производится более, чем через 72 часа после оплавления, или печатный узел хранился в помещении с повышенной относительной влажностью воздуха, то для получения хороших результатов отмывки рекомендуется использовать специальные промывочные жидкости для удаления остатков флюса. Отмывка водосмываемой паяльной пасты специализированными промывочными жидкостями позволяет получать стабильно качественные результаты.

Наибольшее распространение получили два метода нанесения паяльной пасты: дозирование и трафаретная печать.

Чаще всего паяльная паста наносится методом трафаретной печати, позволяющим сформировать отпечатки пасты на всех контактных площадках печатной платы за один рабочий ход. Однако изготовление трафарета экономически не оправдано при малых партиях изделий. В таких случаях дозирование представляет особый интерес. Обыкновенно паяльные пасты для дозирования содержат большее количество флюса 10-15 % для более удобного нанесения дозированием и упаковываются в шприцы. Сейчас наиболее распространен тип шприца, разработанный компанией EFD.

Метод трафаретной печати является более предпочтительным в серийном и крупносерийном производствах, так как обеспечивает высокую производительность и повторяемость процесса.

Да, уровень активности и химический состав флюса напрямую определяют требования к отмывке.

Флюсы с низкой активностью допускаются оставаться на плате, а более активные составы требуют обязательной отмывки специализированными моющими средствами.

Современные паяльные пасты подбирают так, чтобы они обеспечивали хорошее смачивание как свинцовых, так и бессвинцовых покрытий.

При выборе конкретного материала следует учитывать тип металлизации площадок и выводов, а также рекомендации производителя пасты в техническом описании.