Назад
Всегда рады ответить на все ваши вопросы
materials@ostec-group.ru

Пайка волной припоя и селективная пайка

Пайка волной припоя или селективная пайка —  это высокопроизводительный метод пайки, позволяющий автоматизировать процесс пайки для отечественных производств и увеличить производительность труда.

Пайка волной на территории России и стран СНГ имеет особое значение. Кроме того, что это недорогой и высокопроизводительный метод пайки, для отечественных производств он позволяет применять традиционные отечественные выводные компоненты и в то же время автоматизировать процесс пайки. Современный процесс волновой и селективной пайки требует высокочистых припоев, качественных флюсов, профессиональных средств для ухода за оборудованием. От качества применяемых технологических материалов для пайки волной (особенно для селективной пайки) зависит не только качество пайки, но и себестоимость одного паяного соединения, и объем затрат на возможный ремонт, и срок эксплуатации оборудования. Правильный выбор материалов может существенно повысить эффективность процесса пайки волной.

Установки пайки волной припоя используются как для групповой пайки компонентов, монтируемых в отверстия, так и для смешанного монтажа. При пайке волной создается стационарная, постоянно обновляемая волна расплавленного припоя. Печатные узлы, подлежащие пайке, движутся в одном направлении поперек «гребня» волны.

Пайка селективной волной осуществляется локально как и нанесение флюса. Вся плата не подвергается нагреву, не покрывается флюсом и не имеет контакта с волной – поэтому эта технология считается более чистой, более экономичной и более повторяемой.

Преимущества пайки волной:

Рис.1. Схема установки пайки волной
  • непрерывный процесс, позволяющий достичь высокой производительности;
  • благодаря быстрому переносу тепла технология хорошо подходит для пайки печатных плат с металлизированными отверстиями;
  • в большинстве случаев возможно создание малых галтелей, что позволяет паять печатные платы с достаточно высокой плотностью монтажа, включая печатные платы, содержащие поверхностно монтируемые компоненты;
  • незначительные ограничения, накладываемые на длину печатного узла.

Недостатки, присущие технологии пайки волной:

  • достаточно узкое технологическое окно процесса;
  • топология печатной платы должна быть адаптирована под направление движения печатной платы через волну.

Практические рекомендации

Выбор флюса

Флюс используется для очистки окисленных поверхностей, подлежащих пайке. Предварительный подогрев необходим для удаления основы флюса, его активации и уменьшения термоудара по компонентам и печатной плате, изготовленным из разнообразных материалов.

Жидкие флюсы находят широкое применение в системах пайки волной и двойной волной припоя с применением технологии монтажа компонентов в отверстия и смешанного монтажа. Некоторые типы флюсов активно применяются для ручной пайки при ремонте и опытном производстве.

Перед началом серийного применения нового типа флюса рекомендуется провести испытания на растекаемость флюса, коррозионное воздействие остатков флюса и изменение поверхностного сопротивления изоляции после пайки. Методы проведения испытаний приведены в стандарте IPC-TM-650. При выборе типа флюса следует руководствоваться требованиями стандарта IPC/ANSI-J-STD-004 («Требования к флюсам для пайки»), а также учитывать:

  • Конструктивные особенности и назначение электронной техники.
  • Требования заказчика к внешнему виду изделий – отмывать или не отмывать остатки флюса после пайки.
  • Метод нанесения флюса – пеной или распылением.
  • Необходимость влагозащиты и возможность применения влагозащитных материалов без удаления остатков флюса.
  • Активность флюса, достаточную для обеспечения хорошей очистки и смачивания паяемых поверхностей припоем. В процессе пайки двойной волной припоя при прохождении второй волны на плате должно оставаться достаточное количество флюса. Чем выше пригодность к пайке компонентов и печатных плат, тем менее активный флюс можно использовать.
  • В процессе пайки флюсы обеспечивают растворение оксидов и сульфидов, защиту паяемых поверхностей от повторного окисления, снижение поверхностного натяжения припоя.

Общие требования, классификация и методы испытаний жидких флюсов приведены в стандарте IPC/ANSI-J-STD-004 («Требования к флюсам для пайки»).

По стандарту IPC/ANSI-J-STD-004 флюсы делятся на несколько основных типов (см. Табл.1).

Табл. 1. Основные типы флюсов

Активность флюса (% содержание галогенов) Канифольные Rosin (RO) Синтетические Resin (RE) Органические Organic (OR)
Низкая (0 %) RROL0 RREL0 OORL0
Низкая (<0,5 %) RROL1 RREL1 OORL1
Средняя (0 %) RROM0 RREM0 OORM0
Средняя (0,5 – 2,0 %) RROM1 RREM1 OORM1
Высокая (0 %) RROH0 RREH0 OORH0
Высокая (>2,0 %) RROH1 RREH1 OORH1

В производстве электроники наибольшее применение находят следующие типы жидких флюсов:

Флюсы, не требующие отмывки (No Clean)

К данному классу относятся флюсы с низким содержанием твердых веществ — не более 5 %. Флюсы могут иметь разную основу: канифольную (RO), синтетические смолы (RE) или органическую (OR).

Что же такое флюсы, не требующие отмывки после пайки? С одной стороны они должны, обладать довольно высокой активностью, чтобы обеспечить удаление окисной пленки с поверхности контактных площадок и выводов компонентов. С другой стороны, после пайки они должны полностью потерять свою активность, не должны, также как и продукты их взаимодействия с металлами, диссоциировать на ионы, снижать коррозионную стойкость и надежность печатного узла.

Предположение, что в процессе пайки все активные составляющие флюса полностью прореагируют при взаимодействии с окисной пленкой и металлом, не правомерно, т.к. площадь контактных площадок не превышает 10 % от всей поверхности платы. Может показаться, что оба этих свойства находятся в полном противоречии, т.к. при повышении активности флюса и улучшении паяемости должно происходить ухудшение диэлектрических свойств и коррозионной стойкости паяных соединений. Такое утверждение верно, если в качестве активаторов во флюсах используются неорганические вещества, содержащие галогены, а также, если флюс представляет собой смесь органических веществ, которые не взаимодействуют между собой как при смешивании, так и в процессе пайки. В не требующих отмывки флюсах используются различные композиции органических веществ (органические кислоты, канифоли, синтетические смолы, амины, хлорсодержащие органические соединения, различные растворители), которые интенсивно взаимодействуют между собой. Механизм такого взаимодействия для каждого типа флюса различен, но конечный результат один и тот же — высокая активность при пайке и пассивность после ее завершения.

Флюсы на органической основе

Органические флюсы изготавливаются на основе низкомолекулярных органических кислот и растворителей, которые, растворяя их, создают азеотропную смесь, т.е. испаряются вместе с ними. В результате воздействия высоких температур в процессе пайки основная часть активной составляющей флюса испаряется вместе с растворителем. Главными преимуществами данных флюсов являются высокая активность в сочетании с практически незаметными остатками — значительно меньше, чем у канифольных флюсов, а также полная инертность остатков флюса после пайки волной. Остатки органических флюсов легко удаляются в процессе отмывки.

Флюсы на канифольной и синтетической основе

Чистая канифоль и синтетические смолы обладают слабой флюсующей активностью, поэтому в состав таких флюсов вводят тщательно подобранные растворители и активаторы, которые оказывают на них активирующее воздействие за счет разрыва их химических связей и образования свободных функциональных групп (процесс деполиконденсации). После пайки при охлаждении происходит обратный процесс: поликонденсация с образованием сшитого полимера, обладающего высоким уровнем электрических и эксплуатационных свойств.

Канифольные флюсы обладают повышенной температурной стабильностью в процессе пайки. Более высокое содержание твердых веществ по сравнению с флюсами на органической и синтетической основе обеспечивает меньшую вероятность образования шариков и сосулек припоя при пайке, кроме того, канифольные остатки флюса достаточно легко удаляются в процессе отмывки. Однако протекание процессов поликонденсации в канифольных флюсах труднорегулируемое из-за природного происхождения канифоли, поэтому их остатки имеют низкую механическую прочность и высокую хрупкость. Применение канифольных флюсов без последующей отмывки остатков рекомендуется для изделий РЭА, которые эксплуатируются в нормальных климатических условиях.

В синтетических флюсах используются фенольные, полиэфирные и другие синтетические смолы с фиксированным массово-молекулярным распределением, что позволяет регулировать процесс активации и поликонденсации и, следовательно, получать остатки с заданными свойствами (пластичность, механическая прочность, теплостойкость, влагостойкость и др.). Однако остатки таких флюсов будут тяжело удаляться в процессе отмывки.

Флюсы на водной основе, не требующие отмывки

В этих флюсах в качестве носителя активных компонентов вместо спиртов используется вода. Важный момент связан с тем, что для получения стабильного раствора активные компоненты флюса должны быть полностью растворены в носителе.

Вода — более полярный растворитель, чем спирт, и поэтому она имеет улучшенную способность диссоциировать кислоты — активаторы, наиболее широко используемые в современных флюсах с низким содержанием твердых веществ. Высокая способность воды к диссоциации позволяет достичь кислотного числа флюса до 60 мг в пересчете на KOH, что гораздо выше обычного. Такое свойство воды позволяет флюсу на водной основе действовать сразу при контакте с поверхностью, повышает эффективность флюса и, как следствие, качество пайки.

Водосмываемые флюсы (Water Soluble)

Водосмываемые флюсы имеют органическую основу (OR), а также содержат широкий ряд различных активаторов и обладают очень высокой активностью. Водосмываемые флюсы применяются для пайки по никелю, стали и поверхностям с плохой паяемостью. Однако остатки таких флюсов обладают высокой коррозионной активностью и требуют обязательного удаления после пайки.

Флюсы для бессвинцовой технологии

Если раньше, когда бессвинцовая технология только вступила в силу, такую градацию можно было создать и использовать, учитывая, что все новые разработки флюсов создавались с учетом бессвинцовых технологий, то в настоящее время эта градация уже не актуальна. Хотя изначально флюсы для бессвинцовой технологии обладали бОльшей активностью и способностью работать при более высоких температурах пайки.

Все современные флюсы, созданные в последние 5 лет, универсальны и работают с компонентами и платами, созданными по любой технологи. И найти флюс, пригодный только под олово-свинец становится сложной задачей.

Внимание! Все флюсы, содержащие неорганические активаторы, требуют обязательного удаления остатков после пайки. Как правило, остатки таких флюсов легко смываются водой.

Жидкие флюсы для пайки волной могут использоваться для ручной пайки.

Порядок работы:

  • нанесите флюс с помощью кисти в места, подлежащие пайке;
  • подсушите плату, растворитель должен испариться, в противном случае флюс будет кипеть при пайке;
  • пайку следует осуществлять паяльником при температуре 320 – 350 °С, продолжительность пайки 0,5 – 2 сек на одно паяное соединение.

Однако при этом не следует забывать, что остатки жидких флюсов после ручной пайки требуют удаления в отличие от процесса машинной пайки. Требование удаления остатков вызвано неполной термической обработкой флюсов при ручной пайке и, следовательно, только частичным выгоранием активаторов. Если принимается решение не удалять остатки флюсов после ручной пайки, необходимо провести испытания на поверхностное сопротивление изоляции и коррозию. Подробно методы испытаний приведены в стандарте IPC-TM-650.

Выбор флюса

Последние годы более частое применение находят флюсы на органической основе благодаря хорошей активности даже для бессвинцовых покрытий, малому количеству остатков и малому количеству твердых частиц, что позволяет без проблем использовать их при нанесении распылением и в системах селективной пайки волной. Флюсы на канифольной и синтетической основе за счет особенности после испарения растворителя оставлять на поверхности печатной платы пленку обеспечивают меньшее количество дефектов, после пайки с их применением остается больше остатков, и они не всегда пригодны для нанесения распылением и использования в системах. Органические флюсы, в которых в качестве растворителя используется вода, накладывают на оборудование требование большой зоны предварительного прогрева для испарения растворителя, но при этом обладают высокой стабильностью и оставляют после пайки мало остатков. Они также наиболее стабильны из-за меньшей испаряемости растворителя и могут наноситься всеми способами флюсования. Остатки водосмываемых флюсов требуют незамедлительного удаления после пайки и могут оказывать влияние на оборудование нанесения флюса.

Рекомендации по процессу пайки

Чтобы добиться хороших результатов пайки, технологические параметры должны быть правильно отрегулированы, и их необходимо поддерживать на заданном уровне. И для регулировки, и для проверки необходимо измерение параметров. Для измерения реальной температуры на поверхности печатного узла, времени используются устройства измерения температурных профилей.

На результат пайки большое влияние оказывает топология печатной платы. Особенно это касается многовыводных компонентов, имеющих большое количество выводов, расположенных близко друг к другу. В таких случаях пайка волной затруднительна, и следует использовать пайку оплавлением. Было отмечено, что даже при оптимальной конструкции контактных площадок изоляционное расстояние между ними часто менее 0,5 мм, поэтому высока вероятность образования перемычек припоя после пайки.

Перед началом сборки в случае необходимости рекомендуется обеспечить предварительную очистку печатных плат. Ионные загрязнения на печатной плате не должны превышать 5 х 10^(-7) г/кв.см.

Основные технологические параметры процесса пайки волной:

Температура при работе с жидкими флюсами

Нанесение флюса рекомендуется осуществлять при температуре окружающей среды 18 – 25 °С.

Параметры конвейера

Угол наклона конвейера рекомендуется устанавливать в пределах 5–9°. Оптимальный угол наклона, обеспечивающий стекание избытка припоя и препятствующий образованию перемычек и сосулек припоя, составляет 7°. Скорость конвейера выставляется с учетом конструкции, ритма работы всей производственной линии, температуры предварительного нагрева и времени контакта печатной платы с волной припоя. В общем случае для обеспечения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость в пределах 90–130 см/мин.

Требования к воздуху

Сжатый воздух, используемый в системе флюсования, должен быть очищен от частиц воды и масла и иметь контролируемую температуру.

Методы флюсования

Нанесение флюса обычно осуществляется методом пенного флюсования или распылением.

Нанесение флюса методом распыления

Достоинства флюсования методом распыления

Метод распыления является предпочтительным для получения наилучших результатов:

  • Снижается количество остатков после пайки.
  • Точный контроль толщины флюса, покрывающего печатную плату (от 1 до 2 мкм).
  • Снижение расхода флюса.
  • Сокращение расхода растворителя.
  • Флюс не капает в зоне предварительного нагрева.

Перед началом работы произведите осмотр сопел флюсователя на просвет —  сопла должны быть чистыми. Если установить давление слишком низким, капли флюса становятся больше и имеют нестабильную форму. В свою очередь, чрезмерно высокое давление может приводить к отражению флюса от печатной платы, бОльшему расходу флюса, загрязнению печатных плат и оборудования. Проверьте количество флюса, нанесенного на печатную плату. Флюс должен покрывать всю поверхность равномерным слоем. В случае наличия «сухих» полос или пятен следует немного увеличить давление и повторить эксперимент. Если проблема не устраняется путем незначительного увеличения давления, корректировку параметров процесса флюсования следует осуществлять в комбинации с изменением других параметров: скорости конвейера и скорости нанесения (перемещения сопел флюсователя). Никогда не изменяйте сразу больше одного параметра. Фиксируйте все изменения параметров процесса флюсования. В случае применения флюсов с высокой плотностью, таких как VOC-free (флюсы на водной основе) давление распыления следует увеличить на 10–20 % по сравнению с флюсами на спиртовой основе.

Метод пенного флюсования

Для нанесения флюса методом пенного флюсования рекомендуется применять трубчатые фильтры, которые образуют мелкопузырчатую пену, обеспечивающую улучшенное смачивание, особенно при сквозной металлизации, по сравнению с обычной пемзой. Кроме того, такие фильтры обладают повышенной надежностью, меньше забиваются, и даже выход из строя одного из элементов не ведет к нарушению производственного процесса. При замене одного типа флюса на другой следует произвести замену флюсующего камня. Перед установкой камень необходимо вымыть в растворителе. Заполните флюсователь до максимального уровня. Верхняя часть флюсующего камня должна находится на глубине не более 4 см ниже поверхности флюса. Начинайте работу с минимального давления, постепенно увеличивая его, добейтесь стабильной и качественной формы пены. Конкретная величина давления зависит от конструкции системы пайки. Отрегулируйте расстояние между пеной и печатной платой. Следует исключить затекание флюса на верхнюю сторону печатной платы.

Использование флюсов на водной основе

Из-за высокого поверхностного натяжения чистая вода очень плохо пенится, что делает их идеальными для нанесения распылением. Добавление небольшого количества ПАВ в сочетании с высоким поверхностным натяжением воды дает стабильную пену. Присутствие ПАВов в качестве активных компонентов флюса обеспечивает высокую стабильность пены и качественное флюсование.

Контроль плотности флюса

Для обеспечения устойчивого качества пайки необходим регулярный контроль качества и состава флюса и при необходимости его коррекция. Для поддержания постоянного уровня твердых частиц, – раза в смену необходимо проводить измерение плотности и корректировку состава флюса путем добавления растворителя. В случае необходимости уровень содержания твердых частиц корректируется добавлением свежего флюса. Как правило, в условиях производства плотность флюса определяется посредством измерения ареометром. Измерительная шкала в требуемом диапазоне должна иметь точность измерения 0,001 г/см. При измерении ареометр должен свободно плавать в среде, не касаясь краев. Замер температуры очень важен, так как изменение ее на 1 °С вызывает изменение плотности на величину, равную 0,0001 г/см. Поэтому коррекция плотности путем добавления растворителя всегда осуществляется в пересчете на плотность при 20 °С.

Контроль уровня содержания твердых частиц осуществляется очень простым гравиметрическим способом. Этот процесс не связан со значительными расходами и позволяет получить очень точный результат:

  • Взвесить стеклянную плошку (пустую, диаметром 50 – 70 мм).
  • 5 мл флюса с помощью пипетки перенести в плошку и оставить на 12 часов при температуре 50 – 70°С для испарения растворителя.
  • Взвесить твердый остаток флюса (точность весов 1 г) вместе с плошкой и вычислить разницу.
  • Пересчитать в расчете на 1 л флюса.

По данной величине можно судить о необходимости коррекции плотности флюса, а так же о содержании воды по вычисленной разнице в плотности. Кислотное число необходимо проверять каждые две недели в химической лаборатории. Если показатель кислотного числа на 20 % меньше по сравнению с исходным значением, то флюс необходимо заменить. Для удаления избытка флюса с поверхности печатной платы при пенном флюсовании рекомендуется применять воздушный нож. Эта мера позволяет сократить количество остатков флюса после пайки, сократить расход флюса и предотвращает капание флюса при предварительном нагреве. Рекомендуется обеспечить наклон воздушного ножа 10° в направлении, противоположном движению конвейера.

Выбор режимов предварительного нагрева

Предварительный нагрев необходим для:

  • подогрева подлежащих пайке электронных компонентов с целью уменьшения термоудара,
  • удаления растворителя из флюса,
  • активирования флюса.

Тип печатной платы Температура на печатной плате
Односторонняя или гибкая 80-90 °С
Двухсторонняя 90-120 °С
Многослойная (до 4-х слоев) 105-120 °С
Многослойная (более 4-х слоев) 110-130 °С

Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции печатных плат, а также от температуры испарения растворителя и температуры, необходимой для активации флюса. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются определенные режимы.

При выборе температуры предварительного нагрева нужно использовать температуру предварительного нагрева, рекомендованного производителем флюса. Эту информацию легко найти в технических данных на конкретный флюс. При использовании флюсов на водной основе необходимо увеличить температуру предварительного нагрева до 130–150 °С (на печатной плате) для полного испарения воды. Особенное внимание следует уделить тщательному подогреву при работе с многослойными печатными платами, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий. Изменение температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью не более 2 °С/сек. В случае недостаточного прогрева и неполного удаления растворителя флюса при пайке происходит выделение газов в волну припоя, это ухудшает смачивание и может приводить к непропаям выводов компонентов.

Флюсы на водной основе требуют бОльшей энергии испарения: 531 кал/грамм против 167 кал/грамм для изопропилового спирта. Поэтому необходима температура предварительного нагрева немного больше. Положительный эффект этого обнаруживается при пайке волной бессвинцового припоя. Расчеты (см. Таб. 2.) наглядно показывают, что использование флюсов на водной основе уменьшает термоудар ΔT на печатную плату на 20-30 °C.

Табл. 2. Расчет величины термоудара при пайке свинцовыми и бессвинцовыми припоями

Название процесса пайки Пайка волной свинцового припоя Пайка волной свинцового припоя Пайка волной бессвинцового припоя

Сплав

Sn/Pb

Sn/Pb

Flouwtin 07

Тип флюса

Спиртовой

Водный

Водный

Температура пайки

250 °C

250 °C

260 °C

Температура предварительного нагрева

100 – 120 °C

130 – 150 °C

110 – 130 °C

Разница между температурами пайки и предварительного нагрева (термоудар)

100 – 150 °C

90 – 110 °C

150 – 140 °C


Выбор режимов пайки

В современных условиях при пайке печатных плат с применением компонентов поверхностного монтажа применяются установки с двойной волной припоя. В этих установках первая волна турбулентная, высокая, но узкая «чип-волна», ее давление подбирают таким образом, чтобы не допустить смывания компонентов и обеспечить смачивание всех выводов. Вторая волна ламинарная, спокойная и широкая удаляет избытки припоя и завершает образование галтелей. Некоторые установки дополнительно оборудованы дешунтирующим воздушным ножом. Узкий поток горячего воздуха, движущийся с большой скоростью, сдувает излишки припоя. Температура в зоне пайки может устанавливаться в пределах от 235 до 260 °С. Более низкая температура пайки позволяет уменьшить градиент температур между зоной предварительного нагрева и зоной пайки, минимизируя термоудар на электронные компоненты. Более высокая температура 260 °С, как правило, устанавливается при пайке многослойных печатных плат и при бессвинцовой технологии.

Для установки высоты волны припоя (ламинарной) рекомендуется использовать тестовые термоустойчивые стеклянные платы со шкалой 10 мм. Используя тестовую плату, можно отрегулировать давление волны и время контакта печатной платы с волной припоя.

При оптимальной высоте волны припой должен покрывать 1/3 толщины печатной платы. Выставьте максимальную высоту чип-волны, но так, чтобы припой не затекал на верхнюю сторону печатной платы, время контакта с чип-волной не должно превышать 1 сек.

Охлаждение осуществляется со скоростью от 2 до 5 °С/сек с целью предотвращения теплового удара по компонентам и печатным платам.

Время пайки

При пайке волной время контакта платы с волной определяется шириной области контакта между волной припоя и нижней стороной платы, а также скоростью транспортировки. Для обеспечения хорошего качества паяных соединений необходимо обеспечить суммарное время пайки в пределах от 2,5 до 4 сек. Время контакта с припоем также зависит от температуры пайки. Например, при температуре 250 °С обычно достаточно 2,5 сек, а при 235 °С время пайки необходимо увеличить до 3,5 сек.

Рис. 2. Типичный профиль пайки двойной волной припоя

Рекомендации по процессу пайки при бессвинцовой технологии

Пайка волной – технологическая операция сборочно-монтажных работ, на которую переход на бессвинцовые припои окажет наиболее сильное воздействие. Каждому технологу придется рассматривать влияние перехода на бессвинцовые припои на существующий техпроцесс.

Опыты по пайке волной с бессвинцовыми припоями показали, что необходимо рассмотрение следующих вопросов: учащение возникновения перемычек припоя, отслаивание галтели, отслаивание контактной площадки или разрыв соединения, увеличение провисания печатной платы, размывание паяльной ванны, потенциальная опасность размывания медных проводников.

Требования к оборудованию

Паяльные ванны, волнообразователи и прочая оснастка, используемая при пайке волной традиционными припоями, не может применяться при пайке бессвинцовыми припоями. Это связано с тем, что из-за высокого содержания олова в припое будет наблюдаться разрушение материала (нержавеющей стали).

Альтернативными материалами для изготовления узлов установок могут быть титан, хастелой (коррозионностойкий никелевый сплав), керамика, чугун. Другим вариантом может быть покрытие поверхностей деталей различными материалами: керамикой, эмалями, краской, а также пассивация.

Изменения также должны быть внесены в конструкцию волнообразователей. Дело в том, что бессвинцовые припои окисляются в значительно бОльшей степени, чем традиционные. Поэтому сток припоя из рабочей зоны волны в ванну может быть затруднен. Конструкции волнообразователей должны быть изменены для обеспечения беспрепятственного стока припоя в ванну.

Выбор припоя

Припой является одним из основных материалов, используемых в процессе пайки волной припоя. Выбор сплава припоя осуществляется в зависимости от следующих условий:

  • требования к производимому изделию – свинцовая или бессвинцовая технология;
  • используемые сплавы в покрытиях выводов компонентов и печатной платы;
  • эксплуатационные требования к изделию;
  • наличие чувствительных к температуре пайки компонентов.

Выбирайте изначально более чистый припой, он будет содержать меньше примесей и дольше будет их набирать, работать более стабильно и обеспечивать качественную пайку с высокой повторяемостью.

Применение высокочистого припоя позволяет минимизировать образование шлама и количества дефектов в процессе пайки, а также значительно увеличивает его срок службы.

В процессе пайки волной припоя состав припоя постоянно меняется, в основном снижается содержание олова. Кроме того, припой насыщается примесями. Увеличение количества дефектов, появление матовых и пористых паяных соединений свидетельствуют о загрязнении припоя примесями. Примеси оказывают влияние на текучесть припоя, припой становится более вязким, появляются перемычки и сосульки припоя, что приводит к дорогостоящим и трудоемким ремонтным работам.

Для достижения высоких результатов пайки необходима организация эффективного контроля примесей в припое.

Контроль примесей осуществляется путем химического анализа припоя. Проверка включает:

  • выборочный анализ нового припоя, загружаемого в ванну (при пополнении или замене), если используется высокочистый припой, анализ производится производителем, и каждая партия сопровождается данными по количеству примесей;
  • анализ в ванне установки пайки волной припоя проводится не реже 1 раза в месяц для установок с загрузкой ванны 100-110 кг и не реже 1 раза в 3 месяца для установок с загрузкой больше 300 кг.

Табл. 3. Влияние примесей в припое на образование дефектов

--- Рекомендованный уровень для пополнения или замены (%) Критический уровень примесей Комментарии

Ag

---- ---

Серебро не влияет на качество пайки приблизительно до 2 %. Выше этого уровня пайка визуально становится гранулированной и более грубой.

Cu

0,5

1,1

Выщелачивание меди из печатного узла и компонента ведет к увеличению концентрации меди. Корректировать рекомендуется чистым оловом или Sn99.9 меди не более чем 0,9 %. Некоторые процессы могут проходить с более высокими концентрациями меди, однако при более высоких температурах.

Zn

0,002

0,004

Цинк является частой причиной формирования мостов и сосулек. Свыше 0,004 % гранулированный внешний вид паек в худшем случае может привести к уменьшению механической прочности.

Cd

0,003

0,005

Кадмий вызывает формирование мостов и сосульки.

Sb

0,1

0,2

Возможен отрицательный эффект – уменьшение растекаемости припоя.

As

0,03

0,06

Мышьяк уменьшает смачиваемость при концентрации свыше 0,03 %.

Fe

0,03

0,04

При концентрации железа 0,03 % и больше этого уровня пайка визуально становится гранулированной.

Bi

0,2

0,4

В низкой концентрации висмут оказывает положительное влияние на усталостные характеристики пайки. При переходе на бессвинцовую технологию следует быть внимательным, так как висмут даже в малой концентрации может привести к образованию фаз с низкими температурами плавления.

Al

0,002

0,005

Даже маленькие концентрации могут увеличить шламообразование.

Ni

0,03

0,05

Высокие концентрации увеличивают шламообразование.

In

0,002

---

Отрицательные эффекты не известны.

Au

0,08

0,01

При концентрации золота 0,1 % и выше увеличивается вязкость припоя. Спаянное соединение становилось тусклым.

Результаты анализа должны содержать процентно-весовые доли следующих элементов: Cu, Ag, Au, Zn, Al, Cd, Sb, As, Bi, Fe, Ni, P. Точность измерений должна составлять 0,001 %.

Если степень загрязнения припоя для пайки превышает установленные нормы, то следствием этого являются дефекты пайки. В связи с этим на предприятиях внутренними нормативами должны быть установлены допустимые максимальные степени загрязнения припоя и определена периодичность анализа припоя.

Корректировка состава припоя

При превышении хотя бы одного из предельно допустимых показателей по примесям ванна для пайки считается непригодной для использования.

В очень редких случаях необходима полная замена содержимого ванны, как правило, замене подвергается лишь часть припоя. Превышение допустимого предела для каждого элемента примеси (А) может быть определено по формуле: А = ((С – В) / В) * 100 %, где С – результат анализа, В – допустимое значение.

В результате удвоения полученного результата определяется количество припоя, подлежащего замене, при этом степень загрязнения ванны по данной примеси уменьшается до 50 % предельно допустимого значения.

Бессвинцовые припои для пайки волной

Чтобы альтернативный припой стал признанной заменой свинцовосодержащего, он должен удовлетворять следующим требованиям:

  • доступность в достаточном количестве;
  • совместимость с существующими техпроцессами;
  • пригодная температура плавления;
  • высокая прочность соединений;
  • схожесть тепло- и электропроводности с припоем Sn/Pb;
  • низкая стоимость.

Международный исследовательский институт олова основал технологический центр пайки бессвинцовыми припоями (SOLDERTEC) для распространения передовой информации и сужения выбора припоев. (в Таб. 4 ) приведена оценка, выполненная SOLDERTEC, некоторых бессвинцовых припоев по различным параметрам по десятибалльной шкале («1» – хорошо, «10» – плохо).

Табл. 4. Сравнение припоев (по данным SOLDERTEC)

Параметр Припой

Sn/Ag3,5

Sn/Ag/Cu

Sn/Ag/Cu/Sb

Sn/Cu0,7

Sn100C

Sn/Zn/Bi

Температура пайки

5

3,5

3,5

6

6

1

Сопротивление отслоению галтели

2,5

2,5

2,5

2,5

3

5,5

Паяемость

4

2

3

5

5

10

Технологичность

3

1,5

1,5

5

4

10

Надежность

3

1,5

1,5

4

5

6

Пригодность к переработке

2,5

2,5

2,5

2,5

2

6

Стоимость

4,5

4,5

4,5

1,5

1

1,5

Доступность

1,5

3

4

1,5

1

6

Общее число очков

26

21

23

28

27

46

Выбор сплава Sn/Cu0,7 для пайки волной во многом объясняется его невысокой стоимостью и доступностью.

Табл. 5. Наиболее популярные свинецсодержащие и бессвинцовые сплавы, используемые для пайки волной

Сплав Температура плавления

Sn99,3Cu0,7

227 °C

Sn100C

227 °C

Sn63Pb37

183 °C

Sn60Pb40

183—90 °C

Очистка оборудования

Процесс пайки волной —достаточно грязный технологический процесс:загрязнение систем пайки флюсами, плюс попадание на них частиц шлама приводит к быстрому появлению сильных загрязнений. А испарение растворителей флюсов при предварительном нагреве и выгорании компонентов флюса при контакте с волной припоя приводят к появлению трудноудаляемых загрязнений. Часто в системах групповой пайки используют рамки и подплатники – их необходимо мыть регулярно, так как не отмытый подплатник может привести к серьезным изменениям в параметрах технологического процесса. Не рекомендуется промывать системы групповой пайки растворителями для флюса, так как зачастую эти растворители произведены на основе изопропилового спирта. Во-первых растворители имеют низкую точку вспышки – они огнеопасны и взрывоопасны. Во-вторых растворитель для флюса хорошо удаляет незаполимеризованные остатки флюса, а заполимеризованные — сложнее.

Перед сменой флюса произведите очистку оборудования: ванны для флюса, пенных или распылительных флюсователей, устройство контроля плотности флюса, пальцев, палет, поддонов с помощью рекомендуемого растворителя. Если после начала работы флюс изменил оттенок цвета, значит очистка оборудования была произведена плохо, и произошло загрязнение флюса материалами, которые использовались раньше или другими загрязнениями.

Для очистки оборудования групповой пайки рекомендуется использовать специальные промывочные жидкости на водной основе.

Рекомендации по удалению остатков флюса

Основная функция отмывки печатных узлов – удаление остатков жидких флюсов, которые в процессе эксплуатации электронной аппаратуры могут оказать негативное воздействие на надежность печатных узлов. В современной технологии сборки печатных узлов наибольшее распространение получили процессы с применением флюсов, не требующих отмывки после пайки. К таким флюсам можно отнести канифольные флюсы и флюсы с низким содержанием твердых веществ. Эти флюсы обычно не требуют удаления остатков после пайки при эксплуатации аппаратуры в нормальных климатических условиях, однако в некоторых случаях может возникать такая необходимость.

При использовании жидкого флюса вся плата покрывается флюсом и его остается достаточно много. Также есть вероятность, что не весь флюс пройдет термообработку, и останутся жидкие остатки флюса. Отмывка обеспечит не только эстетичный вид печатных узлов после пайки и позволит использовать влагозащитное покрытие, но и обеспечит надежную эксплуатацию изделия. 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 спиртобензиновая 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).

Эффективную отмывку печатных узлов после пайки от всех типов загрязнений могут обеспечить только промывочные жидкости, специально разработанные для этих целей.

Табл. 5. Рекомендации Zestron по удалению остатков флюсов Indium после оплавления

Паяльные пасты Indium

Vigon®

Zestron®

N501

(20 %)

A201

(20 %)

А250

(30 %)

А300

(33 %)

US

(30 %)

Fa+

Indium WF9942

+

+

+

+

+

+

Indium WF7742

+

+

+

+

+

+

Indium WF9945

+

+

+

+

+

+

Indium #1010

n

n

+

+

+

+

Indium 1095 NF

n

n

+

+

+

+

+ – легко удаляется при стандартных режимах;

0 – удаляется, необходим подбор режимов;

n – нет данных, испытания не проводились;

- – не удаляется.

Для ручной отмывки используйте промывочную жидкость Vigon EFM – она себя эффективно показала со всеми указанными жидкими флюсами производства компании Indium.