Общие вопросы пайки
Пайка как средство механического соединения металлов употребляется уже много лет. Но потребности индустрии, создающей радиоэлектронную аппаратуру, которые связаны с современными понятиями надежности, приводят к необходимости пересмотра способов пайки. Надежность нельзя обеспечить, в случае если использовать первый попавшийся припой, и неточность многих занимающихся пайкой, содержится в том, что под припоем знают лишь сплав олова.
В действительности, при выборе материалов для пайки нужно учитывать свойства применяемого сплава совместно с флюсом. До тех пор до тех пор пока комбинация припой — железная база не выбрана верно, кроме того наиболее технология и совершенное оборудование не обеспечат надежности, которая возможно достигнута лишь при соответствующем выборе исходных материалов.
Иногда появляются определенные советы по мерам предосторожности и способам пайки при их исполнении. Но многие вопросы появляются опять. Исходя из этого проектировщику, контролёру и оператору качества, важным за создание надежного соединения, нужно знать о некоторых неверных представлениях, каковые лежат в базе громадного количества неточностей, которые связаны с применением пайки.
Данный параграф посвящен проблемам пайки, чаще всего видящимся как в массовом производстве, так и в особых областях.
Правильная и надежная пайка стала сейчас производственной необходимостью. Требуется соединять новые виды металлов. Электронные блоки становятся более компактными и миниатюрными. Ремонтные работы используются реже, а компоненты стали более чувствительными к действию тепла.
Все эти тенденции приводят к тому, что требования к процессу пайки увеличиваются и соединения пайкой направляться проводить на строго научной базе.
Нужно учитывать воздействие флюсов, каковые являются только серьёзным причиной в ходе пайки. Верный выбор флюса в громадной степени снабжает надежное соединение. В случае если неверно выбра.н флюс, то брак катастрофически возрастет.
Флюс есть в общем разжижителем, по при пайке он значительно влияет на степень и скорость завершенности процесса пайки.
Характеристики флюсов
Для обеспечения хороших черт пайки флюс обязан делать две главные функции: снабжать получение соединяемых поверхностей без окисных пленок и поддерживать это состояние в течение всего процесса пайки; оказывать влияние на поверхностное натяжение так, дабы припой имел возможность растекаться по соединяемым поверхностям.
Флюсы характеризуются химической активностью. Окисные пленки, образующиеся на поверхности поц действием окружающих условий, должны быть удалены перед пайкой, в противном случае соединение будет ненадежным. В отличие от жировых загрязнений эти пленки не смогут быть удалены простыми растворителями.
Флюс обязан выдерживать температуру пайки без испарения либо разложения. Это требование должно предъявляться как к самому флюсу, так и к его растворителю. Растворитель может иметь точку кипения ниже температуры пайки в том случае, если флюс сам по себе есть термостойким.
Смачивающая свойство. До начала пайки поверхности соединяемых материалов смачивают флюсом. Это смачивающее воздействие включает в себя необычный баланс поверхностных энергий на границе раздела металл—припой—флюс и исходя из этого определяется не только одним флюсом.
Для данной комбинации металл—припой возможно подобран флюс с большой смачивающей свойством.
Но нужно не забывать, что применение флюса не заменяет предварительную очистку. Большая часть флюсов безтолку, в случае если на рабочем участке имеется нерастворенный слой грязи. Тщательное обезжиривание значительно повышает эффективность применения получение и флюса качественной пайки.
Активность растекания. Флюс, что сокращает контактный угол либо угол смачиваемости, будет содействовать распространению припоя либо растеканию его. Сродство металла кроме этого есть серьёзным требованием. Оно должно быть ниже, чем сродство припоя к металлу, дабы флюс легко замещался расплавленным припоем. Из этих двух требований влияние флюса на смачиваемость значительно более принципиально важно.
Данный показатель есть мерой качества флюсования.
Кое-какие требования к флюсам. Дабы сделать пайку рентабельным способом соединения, флюсы должны удовлетворять некоторым определенным требованиям. Знание их окажет помощь выяснить, представляет ли флюс промышленную сокровище либо чисто отвлечённый интерес.
Какое из этих требований есть наиболее важным, определяется конкретной задачей.
Время пайки. Сокращение времени пайки особенно значительно в высокопроизводительных технологических процессах, и при пайке электронных схем с термочувствительными компонентами. Прекрасно выбранный флюс активизирует процесс в совокупности припой-металл, что разрешает в единицу времени проводить предельное количество соединений.
Температура пайки. При достижении заданной температуры должно случиться расплавление припоя. Помимо этого, температура должна быть высокой, дабы флюс имел возможность обеспечить очистку поверхности.
Но нужно избегать через чур больших температур, потому, что органические соединения в флюсе при перегреве смогут стать неактивными. Как пример возможно привести понижение свойства флюсов на базе канифоли очищать медь, если они скоро нагреваются до температуры ^320°С. Активированные канифольные флюсы выдерживают более большие температуры, благодаря чему все характеристики флюса сохраняются.
Неспециализированное правило в этом случае пребывает в необходимости поддерживать температуру пайки на 60°С выше точки плавления припоя для получения качественных соединений.
Коррозия. Коррозия есть ярким результатом применения ее воздействие и флюса нужно предотвращать, в противном случае паяное соединение может оказаться не сильный либо отказать под действием усталости. В электрических цепях коррозия может привести к электрических черт. Продукты коррозии смогут понизить сопротивление изоляции либо образовать мостик между компонентами, что приведёт к короткому замыканию.
Следовательно, флюс обязан владеть минимальным коррозионным действием. В действительности, в то время, когда флюс подается на поверхность и расплавляется, он может попадать в разные щели либо другие труднодоступные места. В ходе пайкп флюс испаряется и конденсируется на частях блока, каковые удалены от места соединения.
Исходя из этого остатки флюса не удаляют при очистке места спайки.
В случае если нельзя проконтролировать свойство флюса к коррозированию, то нужно удостовериться, что выбранный его остатки и флюс легко удаляются по окончании пайки.
Выбор флюса. Флюс необходимо не только разумно выбирать, но и верно применять. Это мож.но сделать, например, введением технических условий на соответствующие флюсы и способы необходимых требований и пайки в стандарты и чертежи при проектировании-
При составлении таких руководств нужно, дабы были отражены следующие требования:
— должен быть совершенно верно указан нужный тип флюса, «о выбор его марки остается на усмотрение производственников;
— нужно учесть температурные ограничения, накладываемые на блок. Эти ограничения определяют большую температуру пайки и, следовательно, температуру припоя. Напомним, что точка плавления припоя не есть температурой пайки;
— нужно учесть механические особенности припоя и выделить главное внимание его механической прочности, ползучести и т. д.;
— электрические особенности припоя (особенно свойство проводить ток) должны выбираться кроме этого с учетом требований электрической схемы;
— нужно учитывать такие характеристики припоя, как коэффициент расширения, изменение проводимости при трансформации температуры, сопротивление к коррозии и др.
Ответственным требованием есть чистота припоя. Загрязнение припоев примесями есть обстоятельством солидного числа отказов. Добавка мышьяка в припой, содержащий олово, сокращает опасность перехода олова из железного в аморфное состояние.
Классификация флюсов. В течение многих лет для пайки употреблялись флюсы двух видов — кислотные и канифольные. Они классифицировались как некоррозионные и коррозионные. Такая классификация не есть адекватной, потому, что было продемонстрировано, что для обеспечения эффективности флюса он обязан владеть определенной степенью коррозионности.
Исходя из этого более целесообразно классифицировать флюсы по их химической природе следующим образом: неорганические кислотные, органические кислотные и органические канифольные флюсы.
Изучение особенностей флюсов показывает, что в области изготовление неорганических кислотных флюсов достигнуты значительные удачи. Созданы особые материалы пайки интерметаллидов, к примеру таких, как теллурид висмута, что позволяет соединять материалы, применяемые в термоэлектронных устройствах.
Недочётом органических кислотных флюсов есть разбрызгивание. Раньше эти флюсы делали на базе воды, и исходя из этого в то время, когда вода касалась расплавленного припоя, образовывалось большое количество пара, что приводило к разбрызгиванию припоя. самые современные типы органических кислотных флюсов содержат смесь скоро испаряющихся растворителей, каковые исключают разбрызгивание флюса.
Применение флюсов при низких температурах ранее воображало собой проблему. Большая часть флюсов, использующихся в электронике, не активны до тех пор, пока не нагреваются до довольно больших температур пайки. Вследствие этого .не реализовыва-лись преимущества припоев с низкой точкой плавления.
на данный момент, но, имеются флюсы, каковые становятся активными при температуре пайки 120 °С.
На данный момент существуют такие новые типы активированного и неактивированных канифольных флюсов для высокотемпературной пайки, свойства которых разрешают приобретать высоконадежные изделия. Флюсы выбираются для каждого конкретного применения не только на базе их реакции с припаиваемыми металлами. Нужно кроме этого учитывать, что надежность создаваемого соединения зависит от способов нанесения флюса и последующего удаления его остатков.
Очистка. Способы очистки флюсов должны снабжать уровень химической чистоты паяных соединений, требуемых для электронных блоков.
Источниками загрязнения являются потовые выделения человека, недостаточная очистка в ходе металлизации и загрязнение при хранении до и по окончании пайки. Пайка есть последней операцией, по окончании которой требуется удаление и тщательная очистка ионизующихся материалов, осажденных на блоке. В следствии совершённых операций приобретают особенно чистые блоки, каковые смогут обеспечить высокую надежность.
Многие электронные компоненты смогут быть всецело загружены в воду без последствий. Это делает очистку водой по окончании монтажа достаточно привлекательной.
Создание качественных паяных соединений есть относительно новой проблемой. Большинство блоков ранее разрабатывалась с учетом электрических, механических и других требований, и только малая часть разработчиков конкретно разглядывала и учитывала таковой серьёзный фактор, как пайка.
На примере печатных плат возможно видеть пользы, каковые возможно взять при соответствующем конструировании паяных соединений, в особенности в случае если схема предназначена для аппаратуры с высокой плотностью упаковки и с громадным числом паяных соединений. Пайка схемы довольно часто осуществляется способом волны припоя. Данный способ снабжает достаточную надежность, предусматриваемую при проектировании п разработке аппаратуры.
Кроме тщательного подбора материала, разработчик обязан учитывать конфигурацию соединений, дабы обеспечить их электрические характеристики и прочность. Для этого, но, нужно, дабы разработчик был прекрасно знаком с требованиями и методами монтажа, каковые предъявляет применяемое оборудование. Так, все свинцово-оловянные припои, которые содержат до 60% олова, не должны употребляться при температурах выше 150°С, потому, что спаи, полученные с их помощью в промежутке температур 150… …180 °С, владеют низкой механической прочностью.
Время от времени при пониженной температуре чистое олово преобразовывается в серый порошок. Было обнаружено, что это явление — «оловянная чума» —имеется следствие трансформации кристаллической формы олова под действием окружающих условий, таких, как понижение давления, сильное охлаждение и т. д.
Появляется вопрос: неимеетвозможности ли,это случиться при применении оловянных припоев? Это маловероятно, поскольку «чума» свойственна чистому олову (не находящемуся в составе сплава) либо олову, загрязненному алюминием либо цинком. «Оловянная чума» не отмечается в олове, содержащем более 5% свинца. В случае если возникла реальная необходимость применения блока при низких температурах, то необходимо, дабы используемое в качестве припоя олово содержало не меньше 0,5%’ мышьяка.
При действии на припой низкой температуры изменяются его механические особенности, возрастает его жесткость, и значительно уменьшается его ударная прочность. Исходя из этого припои, каковые используются для соединений в аппаратуре, действующий при низких температурах, должны обеспечить сопротивление и максимальную прочность к ползучести.
Пайка соединений
При проведении процесса пайки принципиально важно совершенно верно поддерживать температуру пайки и верно выбрать мощность паяльника. При пайке соединений, теплоемкость которых громадна, нужно расширить теплоемкость паяльника, поскольку легко повышение температуры пайки приведёт к обугливанию флюса до его активации. Фактически было найдено, что в момент пайки температура припоя должна быть приблизительно на 40°С выше температуры его перехода в жидкость.
При более большой температуре отмечается избыточное сплавление соединяемых подробностей, а при пониженной температуре припой течет с недостаточной скоростью, что вызывается местным охлаждением припоя подробностями соединения.
В то время, когда кончик паяльника передает тепло расплавляющемуся припою, то его температура понижается приблизительно на 20°С. Следовательно, температура кончика паяльника в промежутке между последовательными пайками должна быть приблизительно на 60 °С выше, чем точки плавления припоя. Из этого следует, что температуру кончика паяльника в ходе пайки направляться непрерывно осуществлять контроль термопарой, регулятором мощности трансформатора либо внутренним магнитным термостатом.
Финиши паяльников в большинстве случаев изготавливают из чистой меди, потому, что данный металл легко лудится и имеет хорошую теплопроводность. Но чистая медь скоро растворяется в расплавленном припое, и кончик паяльника теряет форму. Этого возможно избежать, в случае если предварительно насытить припой медью числом 1,5%, что подавляет растворение меди в оло-вянно-свинцовом припое при температурах 250… …300 °С.
Но, в случае если температура финиша паяльника превысит 300 °С, медь не будет более насыщаться и случится ее маленькое растворение в припое.
Не рекомендуется изготавливать финиши паяльника из сплавов меди с металлизированным покрытием либо из чистого железа, потому, что они имеют довольно низкую теплопроводность, что возможно компенсировать лишь увеличением температуры паяльника, но это может ухудшить характеристики электронных компонентов.
Пайка серебреных соединений. Серебрение употребляется для покрытия провода в тефлоновой изоляции, покрытия выводов и коаксиальных кабелей определенных компонентов. Но, в случае если при пайке употребляется оловянно-свинцовый припой 60 :40, серебро поглощается припоем и образуется поверхность, которая не смачивается припоем. Поглощение серебра возможно не допустить применением припоя с добавкой 2% серебра.
Рекомендуемая температура финиша паяльника в момент пайки в этом случае должна быть около 220 °С.
Пайка золоченых соединений. Хорошо как мы знаем, что припой и золотое покрытие очень сильно взаимодействуют. Исходя из этого принципиально важно устранить через чур сильное поглощение золота припоем с поверхности золоченых проводов либо соединений, потому, что золото имеет тенденцию повышать хрупкость припоя. Иначе, золо то наносят для повышения свойства данного провода к пайке.
Его удаление при растворении припоем может привести к образованию поверхности, адгезия припоя к которой будет мелка.
Добавка серебра к припою до некоей степени сокращает адсорбцию золота. В этом случае целесообразно делать пайку как возможно стремительнее и при минимальной температуре. Для уменьшения сотрудничества с припоем предпочтительно применять более узкие золотые покрытия. При пайке позолоченных выводов целесообразно использовать эвтектику олова, кадмия и свинца с точкой плавления 145 °С, потому, что температура финиша паяльника наряду с этим не должна быть выше 200 °С.
В этом случае компоненты при пайке подвергаются меньшему тепловому действию. Это принципиально важно при пайке золотых выводов транзисторов и тонкопленочных интегральных схем, каковые весьма чувствительны к излишней температуре.
При введении в разработку золочения либо применении компонентов, каковые имеют золоченые выводы, нужно убедиться в хорошем качестве осаждения. Нужно иметь в виду, что золото делается твёрдым при сплавлении с другими металлами. Это ведет к увеличению процесса пористости и интенсификации коррозии поверхности при хранении, что в конечном счете затрудняет пайку золоченых выводов.
Как материал для покрытия контактов, золото в большинстве случаев наносится толщиной 1,2…5 мкм. Не смотря на то, что покрытие толщиной 1,2 мкм, в большинстве случаев, не снабжает долгосрочной надежности, оно время от времени употребляется в радио- и телевизионной аппаратуре. В особой аппаратуре, где требуется высокая надежность, толщина золотого покрытия образовывает 2,5 .. ..5 мкм.
Существует большое количество способов нанесения золота. Наряду с этим употребляются щелочные, нейтральные либо кислые растворы. Но время от времени нужно включить в осажденный слой кроме золота другие вещества (к примеру, никель), дабы повысить твердость осажденного слоя.
Выбор толщины слоя, типа раствора и типа золота зависит от материалов и рабочих условий, из которых изготовлены компоненты. В случае если потом компоненты будут спаивать, принципиально важно убедиться в том, что это золотое покрытие может паяться. Во многих случаях для гнёзд разъёмов и покрытия штырей применяют твёрдое золото, что снабжает хорошую износоустойчивость, но затрудняет пайку.
Условия пайки. Механическая прочность свинцово-оловянных припоев в диапазоне температур 150…180 °С мала, исходя из этого применять их для пайки при указанной температуре не разрещаеться.
Наличие серебра в припое до некоей степени сокращает растворение в припое золота. Исходя из этого целесообразно проводить присоединение как возможно стремительнее и при низкой температуре, дабы уменьшить сотрудничество припоя и золота. Температура кончика паяльника не должна быть выше 200 °С.
Нет сомнений, что продолжительный срок хранения, и условия хранения снижают свойство разных поверхностей к пайке. Исходя из этого, в случае если появляются мельчайшие подозрения, что на поверхности появились пленки либо она загрязнена, перед пайкой нужно очищать поверхность. Во многих случаях проволочные выводы либо поверхности с предварительным покрытием требуют устранения ветхих покрытий, каковые успели окислиться. Это направляться делать перед повторным лужением.
Предварительное лужение необязательно. Но данный процесс нужен при работе с металлами, тяжело поддающимися пайке, либо в тех случаях, в то время, когда должны употребляться активные флюсы.
Выступы либо пустоты при пайке припоем с сердечником из флюса позваны включениями либо вакуумами в самом флюсе, каковые результат появления пузырьков органических газов.
В то время, когда припой принудительно контактирует с железной поверхностью, которая не подготовлена соответствующим образом к пайке, при охлаждении он будет планировать в капли, подобно тому, как получается при попадании воды на поверхность воска. Поверхность между этими каплями, в большинстве случаев, имеет серебряный отблеск. Но в этом случае обычного смачивания не происходит.
Несмачивание чаще всего отмечается, в случае если расплавленный металл имеет возможность стекать с поверхности.
В случае если нужно спаять два соединения, весьма близко расположенные друг к другу, то пайку первого соединения направляться создавать более высокотемпературным припоем. Тогда пайка второго соединения выполняется сплавом с пониженной температурой, дабы не нарушить первое соединение.
Прочность паяного соединения зависит от величины зазора между паяемыми поверхностями. При зазоре около 0,08 мм флюс и припой легко попадают в соединение и снабжают оптимальное смачивание. В случае если данный зазор меньше, то вероятно захватывание газов и флюса, что ведет к уменьшению смачиваемой меньшей прочности и площади слоя припоя.
В случае если зазор намного больше, то в образовании слоя припоя уже не участвуют капиллярные силы.
При конструировании соединения нужно обеспечить его электропроводность и механическую прочность. Этим условиям самый полно удовлетворяют узкие слои припоя. Избыточный слой припоя не повысит прочность либо проводимость соединения и только затруднит контроль качества для того чтобы соединения.
При через чур громадных контактных углах внутренняя когезия припоя больше, чем адгезия на границе раздела между припоем и соединяемой подробностью. Это указывает, что в этом случае сплавления не случится.
При неправильном сплавлении может наблюдаться окисление не сильный границ раздела, что ведет к появлению «сухого» соединения с повышенным сопротивлением. Таковой недостаток есть весьма важным, потому, что он может проявиться не сходу, а через пара месяцев по окончании вступления аппаратуры в строй.
Рабочие поверхности должны очищаться как перед их применением в холодном состоянии, дабы удалить всю грязь, смазку, остатки флюсов или других веществ, так и на протяжении пайки.
Персонал, трудящийся с очищенными проводами, выводами, печатными платами и разъёмами, обязан носить узкие белые чистые перчатки из ткани, которая не имеет пуха, дабы не допустить загрязнение поверхности. Возможность загрязнений при работе без перчаток больше, в случае если трудятся дамы, потому, что крем для рук и другие виды косметики очень сильно загрязняют поверхность.
Для удаления флюсов возможно применять такие прекрасно зарекомендовавшие себя растворители, как метиловый либо изопропиловый спирт и т. д. Но направляться применять минимальное их количество, нужное для удаления флюса в каждом частном случае. Помимо этого, при применении этих растворителей нужно принять меры для обеспечения соответствующей вентиляции.
Температура кончика паяльника, что обязан употребляться при пайке, изменяется в зависимости от вида компонента, покрытия выводов, материалов, применяемых для проволочных выводов, типов припоя и флюса. При пайке блок должен быть обеспечен особым чертежом, в котором точка за точкой продемонстрированы положения паяных выводов, температура припоя и паяльника. Эти точки должны иметь маркировку, и к чертежу обязана прилагаться соответствующая ее расшифровка.
Избыток припоя возможно удален посредством так именуемого фитиля *. Наряду с этим употребляется обычный многожильный провод, с которого удалена изоляция на расстоянии приблизительно 13 мм. Опустите обнаженный провод в жидкий припой и поместите припой с флюсом па припаянное соединение и после этого на провод поставьте кончик тёплого паяльника. провод и Паяльник удаляются, в то время, когда на проводе оказывается необходимое количество припоя.
На протяжении данной операции припой проходит вверх по проводу посредством капиллярных сил, и в этом смысле данный процесс подобен подъему масла по фитилю лампы.
Требования к контролю качества.
Контроль качества паяных соединений предполагает поиск следующих недостатков:
— обугливание, ожог, растекание либо второе повреждение изоляции;
— разбрызгивание флюса либо припоя «а соседние соединения либо компоненты;
— острые выступы на припое;
— ямки, царапины либо отверстия;
— избыточное количество припоя, что приводит к потускнению соединений либо компонентов;
— не хорошо закрепленные выводы либо провода:
— холодные спаи (тусклая поверхность);
— наличие канифоли в спае;
— паяные соединения, нарушенные во время отверждения;
— наличие обрезанных, растянутых, поцарапанных проводов либо выводов;
— не хватает чистое соединение (остатки волокон ткани, флюса, грязь, брызги припоя и т. д.);
— песмачиваемость;
— недостаточное количество припоя;
— визуально найденная обнаженная медь либо материал, к которому ведется пайка;
— изгиб выводов, приводящий к уменьшению нужного расстояния между проводниками.
Недостатки пайки. Имеется большое количество разных видов недостатков пайки, каковые являются значительную проблему. В большинстве случаев, недостаток обнаруживается между материалом и покрытием припоя, образующим вывод компоненты, но не на границе раздела между изделием и выводом, к которому припаивается вывод.
повторное лужение и Очистка выводов компонентов перед применением не всегда дает желаемый итог. До тех пор до тех пор пока все загрязнения, включая дефектное покрытие, не устранены, не может быть уверенности в том, что новое покрытие вывода имеет желаемый прочный контакт с проводом самого вывода. Цена очистки и повторного лужения выводов предположительно составит стоимости сборки самих компонентов.
Помимо этого, нельзя считать доказанным, что ни на один из компонентов не повлияли очистка либо подача тепла в ходе пайки. Эти отказы возможно устранить лишь применяя компоненты, удовлетворительно выдерживающие пайку. Исходя из этого считают, что опробование проволочных выводов компонентов на свойство к пайке есть нужным и наилучшим способом проверки.
Для этого помогает имитация настоящего процесса пайки.
Не считая определения нужных условий пайки, направляться кроме этого учитывать наличие загрязнения выводов компонентов. Загрязнения возможно избежать при хранении компонентов в герметичной таре и периодическом повторном их контроле. Полезно хранить компоненты в упаковках, допускающих повторную герметизацию.
