Мыть или не мыть — вот в чем вопрос. Применение безотмывочных флюс-гелей

До сих пор одной из самых спорных тем в производстве электроники остается вопрос отмывать остатки флюсов после пайки или не отмывать? Увеличение степени интеграции компонентов приводит к постоянному уменьшению зазоров под корпусами компонентов, использование современных нейтральных флюсов для пайки с низким содержанием твердых веществ и на синтетической основе требуют применения высокотехнологичных, сложных и дорогостоящих процессов отмывки печатных узлов после пайки. Всегда ли не удаленные остатки флюса могут приводить к катастрофическим последствиям в процессе эксплуатации аппаратуры? На эти и многие другие вопросы мы постараемся дать ответ в настоящей статье.

Основная функция отмывки печатных узлов предназначена для удаления остатков флюса, которые в процессе эксплуатации электронной аппаратуры могут оказать негативное воздействие на надежность печатных узлов, препятствуют нанесению влагозащитных покрытий, затрудняют выполнение электрического контроля, а также ухудшают внешний вид изделий. В современной технологии сборки печатных узлов наибольшее распространение получили процессы с применением флюсов, не требующих отмывки после пайки. К таким флюсам в соот- ветствии с международным стандартом J-STD-004 относятся канифольные слабо активированные флюсы, флюсы с низким содержанием твердых веществ и флюсы на органической основе. Такие флюсы обычно не требуют удаления остатков после пайки при эксплуатации аппаратуры в нормальных климатических условиях, однако в некоторых случаях может возникать необходимость удаления остатков флюсов.

Остатки канифольных флюсов и флюсов с низким содержанием твердых веществ состоят из:

• канифоли или синтетических смол и их остаточных продуктов,
• активаторов и продуктов их реакции.

В качестве активаторов обычно используются органические кислоты и галогенные соединения. Последние обладают свойствами ионов. Остатки таких флюсов не удаляются водой или спиртом. Широко применяемая спирто-бензиновая смесь тоже обладает крайне низкой эффективностью — плохо удаляются остатки флюсов с низким содержанием твердых веществ, не удаляются ионные водорастворимые компоненты (остатки активаторов, минеральные соли, остатки травильных растворов и электролитов).

В процессе изготовления, хранения и сборки печатных плат на них остаются различные полярные и неполярные загрязнения, некоторые из них приведены ниже в таблице 1:

Таблица 1 Загрязнения на поверхности ПУ

Основные причины необходимости удаления остатков флюсов

Высокая температура. Остатки флюсов на основе природной химически обработанной канифоли или искусственных смол примерно до температуры 100°С являются хорошими изоляторами. Если происходит повышение температуры свыше 100°С, остатки флюса сначала размягчаются, а потом начинают плавиться оказывая диссоциирующее воздействие приводящее к образованию карбоксильных ионов. В результате возникающей ионизации изменяются электрические свойства, остатки флюса становятся проводником. Таким образом, возникает опасность возникновения повышенных токов утечки и коротких замыканий.

Повышенная влажность. Проблема понижения поверхностного сопротивления особое значение приобретает в современных условиях развития электроники по двум основным причинам:

1. Уменьшаются расстояния между проводниками,
2. Полупроводниковые компоненты развиваются от низко импедансных цепей к высоко импедансным, имея тенденцию к уменьшению потребляемой энергии. Поэтому, столь малые токи утечки как остатков флюсов 10–12 А, иногда оказывают существенное влияние на нарушение работы элементов логики. Токи утечки могут возникать за счет присутствия ионных компонентов. Однако, даже канифольные остатки флюса могут стать проводником при наличии тонкого слоя влаги. Влага в сочетании с диоксидом углерода, адсорбированным из воздуха формирует на поверхности канифоли карбоновую кислоту, которая имеет высокое содержание ионов.

Другие причины возникновения повышенных токов утечки. Токи утечки могут увеличиваться за счет появления в процессе пайки шариков припоя, остатков травильных растворов или солей припоя, возникающих в процессе изготовления печатных плат, а так же в случае роста металлических нитей. Металлические нити это волосоподобные кристаллы, которые растут спонтанно без приложения напряжения. Обычно нити растут на 0,01–10 мм в год и имеют диаметр в несколько микрон. Обычно тенденцию к образованию нитей имеют контактные площадки покрытые электрохимическим оловом.

Устранение подобных загрязнений достигается путем применения специализированного оборудования отмывки и эффективных промывочных жидкостей.

Дендриты. Дендриты тоже представляют собой металлические нити или кристаллы, которые растут на поверхности металла, но по электролитическому механизму (рис. 1). То есть для роста дендритов необходимо иметь электролит и напряжение. Скорость роста дендритов на катоде может достигать 0,1 мм в минуту. Аналогичный рост дендритов происходит и на аноде, но значительно медленнее. Рост дендритов наблюдается на проводниках с покрытием из серебра, меди, олово-свинца, золота, золото-палладия. Область роста дендритов ограничивается зоной поверхностного ионного загрязнения и наличием влаги.

Влагозащитные покрытия. Для предохранения от воздействия влаги и агрессивных сред печатные узлы часто покрываются влагозащитными покрытиями. При этом особое внимание следует уделить совместимости влагозащитных материалов с остатками флюсов. Если остатки флюса не совместимы с влагозащитным покрытием, возможно ухудшение адгезии, отшелушивание и отслаивание влагозащитных покрытий (рис. 2). Важным параметром также является количество остатков флюса. Чем больше остатков флюса, тем выше вероятность возникновения дефектов влагозащитного покрытия.

Внешний вид изделия. Как правило, флюсы не требующие отмывки оставляют малозаметные остатки, незначительно ухудшающие внешний вид печатных узлов, тем не менее, в ряде случаев остатки флюсов приходится удалять по требованию заказчиков в косметических целях (рис. 3).

Высокое сопротивление контактов. Неудаленные остатки флюса могут покрывать тестовые площадки и контакты краевых разъемов (рис. 4). Так как канифоль и синтетические смолы при комнатной температуре являются хорошими изоляторами, тестовые точки могут иметь очень высокое сопротивление контактов, препятствуя обеспечению электрического контроля.

Ручная пайка. Отечественные производители достаточно часто применяют жидкие "безотмывочные" флюс-гели для ручной пайки, полагая, что их остатки не требуют удаления. Однако, большинство жидких флюсов не требующих отмывки специально разработаны для машинной пайки волной припоя, только этот способ пайки гарантирует выгорание и разложение активаторов флюсов, не требуя обязательного удаления остатков после пайки. К примеру, с BGA микросхем.

Зачастую необходимость удаления остатков жидких флюсов при ручной пайке вызвана только частичным выгоранием активаторов. Флюс при ручной пайке, как правило, наносится кисточкой и попадает не только в места, подлежащие пайке, но и вокруг них на паяльную маску, соседние проводники и компоненты. Нагрев до температуры пайки производится локально, только в местах образования паяных соединений. Весь остальной флюс не подвергается термической обработке и сохраняет свою активность.

Воздействие остатков активаторов. Активаторы, входящие в состав флюса, содержат ионные соединения (галогены, соли и кислоты), которые в свою очередь могут вступать в реакцию с влагой, влияя на уменьшение поверхностного сопротивления. Несмотря на то, что остатки флюсов очень редко приводят к отказам в процессе работы, последствия коррозии могут быть очень серьезными (рис. 5). Наиболее распространенный механизм коррозии — электролитический. Электролитическая коррозия может возникать в двух случаях:

1. При наличии электрического поля и водной пленки между двумя смежными проводниками (рис. 6а),
2. На одиночных многослойных проводниках, например, при контакте двух разнородных металлов с разными потенциалами, например, медный проводник (+0,34 В), покрытый сплавом олово-свинец (-0,14 В). Так при наличии влаги и небольшого количества ионных компонентов возникает напряжение короткого замыкания и начинает протекать ток (рис. 6б).

Избежать электролитической коррозии возможно только в случае удаления всех следов влаги и ионных загрязнений с печатных узлов и обеспечив защиту от повторных загрязнений.

Класс аппаратуры. Влияет ли класс производимой аппаратуры на необходимость отмывки? Давайте попробуем ответить на этот вопрос. По надежности изделия электронной техники делится на три основных класса:

Класс 1 — Бытовая электроника: отмывка не требуется, так как изделия эксплуатируются в нормальных климатических условиях.

Класс 2 — Промышленная электроника — Необходимость отмывки зависит от условий эксплуатации изделий. При эксплуатации изделий, неподвергающихся влагозащите, в нормальных климатических условиях отмывка в большинстве случаев не требуется, однако в случае эксплуатации изделий в жестких климатических условиях, а также для высокочастотной электроники применение отмывки является оправданным. Кроме того требования отмывки остатков флюсов существенно зависят от типа (класса) используемого флюса.

Класс 3 — Спецтехника (военная, аэрокосмическая техника, системы жизнеобеспечения) — отмывка является обязательной.

Мыть или не мыть?

Мы рассмотрели лишь несколько основных причин необходимости удаления остатков флюса после пайки. Подводя итоги вышеперечисленным причинам можно утверждать, что для обеспечения максимальной надежности производимой электроники остатки флюса необходимо удалять. С другой стороны абсолютно очевидно, что процесс отмывки будет увеличивать себестоимость изделий. Следовательно, применение отмывки должно быть экономически оправданным. Поэтому,принимая решение о необходимости отмывки следует взвесить все доводы за и против: условия эксплуатации аппаратуры, требования по надежности и долговечности, затраты на обслуживание и ремонт производимой электроники, наличие необходимого оборудования для отмывки и контроля качества отмывки. Помните, что если Вы не можете организовать качественную отмывку, то ее лучше не проводить вообще, особенно при использовании «безотмывочных» флюс-гелей.