Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ |
|
Расчетно-графическая работа на тему Паяльные пасты |
|
Факультет: РЭФ Группа: РТВ14-91 Студент: Архипенко А.В. Преподаватель: Шевницына Л.В. Новосибирск 2010 |
Содержание:
Паяльные пасты, паяния
- Паяльные пасты – специально разработанные смеси припоя и флюса, используемые для монтажа электронных компонентов на поверхность печатной платы. Различают безотмывочные и водосмываемые паяльные пасты, а так же наличие или отсутствие в их составе свинца (RoHS). В качестве синонима данного термина иногда используется термин -припойная паста.
Например:
- Безотмывочная паяльная паста RoHS (Sn96.5,Ag3,Cu0.5)
- Безотмывочная паяльная паста (Sn63,Pb37)
Паяние
В домашних условиях для получения неразъемных соединений обычно используют паяние. Для проведения этой операции необходимо иметь паяльник, соляную кислоту, паяльную пасту или флюс и припой.
Соединять металлические детали паянием можно встык, внахлестку или с накладкой. Пространство между припаиваемыми деталями должно быть таким, чтобы расплавленный припой мог свободно затечь между ними и полностью заполнить шов.
Очистка от окислов и обезжиривание
Под действием содержащегося в воздухе кислорода на поверхности металлов образуется пленка окисла. Перед паянием окислы удаляют с поверхности металлов стальной щеткой, напильником, наждачной бумагой или кислотой. Для протравливания стали и ее сплавов используют серную, соляную, фосфорную и азотную кислоты или их смеси. Наиболее часто употребляют соляную кислоту. Для протравливания меди, никеля и их сплавов применяют серную кислоту. Если в сплаве содержится много никеля, протравливание лучше производить азотной кислотой. После окончания протравливания остатки кислоты нужно смыть, чтобы она не разъедала металл. Поверхности припаиваемых деталей обезжиривают, промывая их чистым бензином.
Паяльные пасты и флюсы
Паяльные пасты и флюсы служат для очистки соединяемых поверхностей от окислов и для предотвращения окисления паяных соединений, возникающего при высокой температуре пайки.
Для разных припоев применяют различные флюсы. При использовании мягких припоев берут органические и неорганические флюсы. Основой таких флюсов является разведенный в воде нашатырь (хлористый аммоний). Нашатырь хорошо очищает не только поверхность припаиваемых деталей, но и стержень паяльника.
Флюсом может служить также хлористый цинк. Однако применение его ограничивается тем, что оставшийся на соединенных поверхностях раствор хлористого цинка поглощает воду и образует пары соляной кислоты, вызывающие коррозию металла. В чистом виде хлористый аммоний и хлористый цинк используются редко; как правило, применяют их смеси.
Паяльный флюс можно приготовить самому. Для этого концентрированную соляную кислоту наливают в стеклянный сосуд с широким горлышком, а затем опускают в кислоту мелкие кусочки цинка. Добавлять цинк нужно до тех пор, пока кислота не перестанет кипеть, т. е. до ее полного насыщения (в растворе должны остаться кусочки нерастворенного цинка). Когда смесь охладится и осадок осядет, раствор разливают в бутылки. От длительности хранения хлористый цинк не теряет своих свойств.
Для получения паяльной пасты нужно смешать, например, паяльный флюс с крахмалом или подогретый до температуры 75°С хлористый аммоний с чистым вазелином.
Одним из наиболее широко распространенных паяльных флюсов является канифоль. Она предохраняет металл от окисления во время паяния, но не растворяет имеющиеся на его поверхности окислы, поэтому перед началом работ припаиваемые детали нужно тщательно очистить. Оставшаяся после пайки на соединенных поверхностях канифоль не оказывает вредного влияния на металл.
Мягкие припои
Мягкие припои (олово, свинец, кадмий, цинк и т. д.) имеют температуру плавления ниже 500°С. В домашних условиях лучше всего пользоваться мягким и припоями из олова с различным его содержанием в сплаве (25, 50, 70%), С увеличением содержания олова в припое понижается температура его плавления. Можно использовать также свинцово-оловянные припои, хотя они неудобны тем, что довольно медленно застывают.
Свойства свинцово-кадмиевых припоев во многом сходны со свойствами припоев их олова.
Паяние осуществляется с помощью паяльника. В зависимости от способа нагрева паяльники подразделяются на обыкновенные (нагреваемые в печи, на газовой плите и т. д.), электрические, бензиновые и газовые.
Недостатками обыкновенного паяльника являются непостоянная температура нагрева при паянии (поэтому его приходится часто нагревать) и загрязнение стержня паяльника копотью. Наиболее удобны электрические паяльники, обеспечивающие постоянную температуру нагрева. Мощность, потребляемая электрическими паяльниками, колеблется от 200 до 500 Вт.
Технология соединения деталей радиоэлектронной аппаратуры
Соединение деталей пайкой, благодаря доступной и недорогой технологии, известно очень давно и по сей день широко применяется, несмотря на появление синтетических клеев и шпатлевок. В этом обзоре речь пойдет о пайке так называемыми мягкими припоями на основе олова, позволяющими ограничить нагрев деталей температурой около +250°С. Итак, что же нужно для пайки? Начнем с припоев. По поводу температуры: для припоя 63/37 с температурой плавления 183°С рекомендуемый режим пайки 230°С. Припой нужно не только расплавить, но и обеспечить растекаемость и смачиваемость, отсюда небольшое превышение температуры плавления. Кстати, не надо путать температуру припоя с температурой жала паяльника, для которого рекомендуется в среднем 315°С. Дело в том, что тепло в соединение передается не мгновенно, поэтому для поддержания 230°С в течение нужного времени в точке пайки необходим контакт с паяльником, нагретым до 315°С длительностью 1-1.5 сек. Уменьшение температуры и времени может привести к неполной смачиваемости паяемой поверхности, увеличение - способствует процессу диффузии меди в припой и образования интерметаллического слоя CuPbSn. Это уже новое вещество с низкой проводимостью и механически хрупкое. По всем стандартам этот слой не должен превышать 0.5 мкм, иначе соединение считается не прочным. Дозировка припоя, конечно, необходима для образования соединения правильной формы, что обеспечивает с одной стороны прочность, с другой - возможность визуального контроля. Общее правило можно сформулировать примерно так: все мениски должны иметь вогнутый, но максимально приближенный к прямому контур. Если мениск выпуклый невозможно будет визуально отличить надежное соединение от не пропаянного, на котором припой принял выпуклую форму за счет поверхностного натяжения. Однако сам процесс дозировки проблемой не является. Для монтажа различных компонентов существую несколько приемов оптимизации количества подаваемого припоя. Вот несколько характерных примеров.
1. Монтаж DIP корпусов и всех компонентов, устанавливаемых в отверстия. Клиновидный наконечник паяльника, слегка обложенный (только для того чтобы обеспечить надежный тепловой контакт) устанавливается на контактную площадку печатной платы, одновременно контактируя с выводом компонента. Другой рукой подается флюсосодержащий проволочный припой, который плавится о нагретую контактную площадку. Расплавленный флюс и припой стекает в металлизированное отверстие, заполняя его. Подача прекращается сразу после образования мениска
между торчащим из платы выводом и контактной площадкой. Высота мениска должна быть равна половине диаметра контактной площадки.
2. Пайка поверхностных микросхем. В этом случае применяется так называемая "мини волна". Это наконечник паяльника, срезанный под углом. Срез имеет углубление для увеличения сил поверхностного натяжения. Компонент устанавливают на плату, флюсуют, заполняют "мини волну" каплей припоя и проводят ей сразу по всем выводам. При движении наконечника каждый контакт "погружается" в волну примерно на 1 секунду, забирая из нее оптимальное количество припоя. Лишний припой втягивается в наконечник за счет поверхностного натяжения. Т.е. дозировка припоя происходит автоматически. Таким приемом можно выполнять монтаж любых поверхностных компонентов кроме керамических CHIP конденсаторов ну и, конечно, BGA.
3. Монтаж CHIP компонентов горячим воздухом (термофеном) на паяльную пасту. При этой операции требования к дозировке самые высокие. Можно, конечно, наносить пасту с помощью шприца, но это требует действительно "искусство оператора", так как после нанесения каждой капли паста продолжает выделяться за счет остаточного в шприце давления. Профессиональный метод - это применение пневмодозатора с вакуумной отсечкой.
Несколько секретов производственных технологий.
О блестящей поверхности.
Такая поверхность достигается достаточным количеством флюса, минимальным перегревом места пайки, свежим припоем эвтектического состава 63/37, как и было сказано выше. Минимизируя время прогрева, можно избежать заметного растворения меди в припое и образования кристаллов интерметаллида SnPbCu, при наличии которых, естественно, не получить блеска. Как добиться этого? Нужно достаточно массивное медное, в идеале - серебряное (обуславливает значительную теплоемкость), с многослойным NiCrFe покрытием (гарантирует от растворения материала жала в припое), жало, достаточно мощный нагреватель (легко компенсирует потери тепловой энергии на расплавление припоя и нагрев места пайки) и система термостатирования (стабилизирует температуру жала). Нужен чистый трубчатый припой и хорошо подготовленные поверхности. Нагрев должен осуществляться минимально необходимое время. Любые отступления от этих условий ведут к необходимости длительных тренировок. При ручной пайке качество "достигается упражнением".
Холодная спайка.
Некоторые предметы, как известно, нельзя спаять при высокой температуре, не подвергнув порче. Для таких предметов рекомендуется следующий состав. Осажденная в порошкообразном состоянии медь перемешивается в фарфоровой ступке с концентрированной серной кислотой до получения некрутой тестообразной массы, к общему весовому количеству которой добавляют постепенно, при постоянном размешивании, 70 частей ртути. Когда таким образом получится однородная амальгама, ее хорошо промывают в горячей воде для удаления кислоты и затем дают ей остыть. Спустя 10-12часов амальгама становится настолько твердой, что режет олово. В таком виде состав уже вполне готов к употреблению, для чего его нагревают до консистенции размягченного воска и спаивают предметы; остыв, эта амальгама очень крепко держит спаянные части.
Простой способ лужения.
Берут 10 весовых частей поваренной соли, распускают в 20 частях азотной кислоты, после чего к этому раствору добавляют 10 частей хлористого олова (оловянной соли) и 2,5 части хлористого аммония (нашатыря). К полученной смеси добавляют еще 40 весовых частей соляной кислоты и затем разбавляют ее небольшим количеством воды. Приготовленная таким образом смесь вполне готова к употреблению. Подлежащий лужению предмет должен быть предварительно очищен самым тщательным образом, затем все части его, которые не должны быть покрыты полудой, старательно натираются салом, после чего предмет погружают в приготовленную вышеуказанным способом смесь, в которой и оставляют, пока слой полуды не достигнет надлежащей толщины. Тогда, вынув предмет, остается только тщательно вымыть его, чтобы он был вполне годен к употреблению. Помимо исправления или обновления полуды на посуде указанным способом можно покрывать оловом для предохранения от ржавчины разного рода мелкие металлические предметы: рыболовные крючки, капканы, проволоки и т.д.
Сообщение оловянному припою медного цвета.
Как известно, для припоя медных частей чаще всего употребляется олово, но такой припой отличается одним недостатком: в местах спайки олово некрасиво выделяется белым пятном или белой полосой на медном фоне спаянных частей. Для устранения такого недостатка рекомендуется следующий несложный прием: места припоя покрываются насыщенным раствором медного купороса, для чего 10 частей купороса растворяют в 35 частях воды и покрытые части припоя растирают, затем железной проволокой и этим способом омедняют спайку, после чего вторично покрывают спайку раствором из 1 части насыщенной купоросной меди и 2 частей насыщенного цинкового купороса и растирают такое покрытие цинковой палочкой. Обработанные таким образом места спайки могут быть отполированы и тогда выступающие части оловянного припоя совершенно сливаются с медным тоном спаянных частей.
Канифоль, флюс - чем они отличаются, когда и что применять?
Канифоль: неочищенная канифоль - есть материал кустаря времен Северной войны. Использовать его в современной электронике крайне нежелательно. Однако, это допустимо для пайки электротехнических изделий или плат с крупными проводниками, и где плотность монтаж стремиться к 0 компонентов на кв. м. платы. Проблемы в том, что она (то есть канифоль) содержит кучу натуральных примесей, которые после модификации под воздействием тепла и кислоты становятся опасными с точки зрения коррозии и электрической проводимости.
Раствор канифоли в спирте или бензине: ничего не меняет от вышеописанного случая. Вся та же гадость, + грязь, привнесенная с бензином и спиртом. Такие платы надо мыть всем, что попадает под руку, поскольку не мы видим только меньшую часть примесей, и они смываются далеко не всем.
Одно замечание, мы говорим о разных канифолях. Есть канифоль, которая лежит у каждого дома на антресолях, есть канифоль, которой маэстро Растрапович канифолит смычок, есть канифоль, производимая гигантами типа Multicore или Alpha Metalls для нужд электронного капитала. Это три большие разницы. Даже в отечестве существовало разделение канифоли на марки: А, Б, может, и далее. Для монтажа РЭА допускалось применение канифоли марки А.
Как определить? - Визуально! Наилучшая имеет светло - желтый свет, прозрачна, без включений. Мы упомянули Multicore, их припой самый "крутой" потому, что он содержит не одну, а целых 5 или 6 жил флюса в проволочном припое. Полагаю, что наличие большого количества каналов с флюсом обеспечивает лучшее распределение флюса по поверхности расплавленного припоя, а это ведет к лучшей очистке поверхности от окислов меньшим количеством флюса, что, в свою очередь, минимизирует количество золы и шлама
Флюсы электронного класса: Основное их отличие заключается в степени кислотности. Чем старее паяемый вами контакт, чем больше на нём окислов, чем эти окислы устойчивее к кислоте, тем выше должна быть кислотность флюса. МЫТЬ ИЗДЕЛЕЕ ПОСЛЕ ПАЙКИ НУЖНО ВСЕГДА. Вы никогда не можете быть уверенным, что осталось на плате после вашего ковыряния её паяльником, и как это повлияет на дальнейшую работоспособность изделия. Количество флюса должно быть минимально, но достаточно для осуществления своих функций: удаления грязи, окислов, обеспечение растекания и формообразования припоя.
Маркировки припоев.
Всё что я буду писать, ниже переписано из ОСТа 4 ГО.033.200, то есть описание того, как это должно быть, если бы эти припои производились под контролем ГосТехНадзора на заводе указанном в ОСТе - "РязЦветМет". Как есть на самом деле не знаю. Все припои содержат 59-61% олова, остальное свинец. Буква "П" в конце означает, что припой повышенной чистоты. Буква "М" означаем, что в припое должна быть медь в диапазоне 1.2-2.0%. Температура плавления, Liquidus (окончание полного плавления):
ПОС61; ПОС61-П - 190 град.°С
ПОС61М - 192 град. С
Временное сопротивление разрыву при 20 град.°С
ПОС61; ПОС61-П - 42.18 Х 10^6 н/кв. м
ПОС61М - 44.18 Х 10^6 н/кв. м
Теплопроводность:
ПОС61; ПОС61-П - 50.24 Вт/(м*К)
ПОС61М - 48.98 Вт/(м*К)
Удельное электрическое сопротивление:
ПОС61; ПОС61-П - 0.139 х 10^-6 (Om*m)
ПОС61М - 0.143 х 10^-6 (Om*m)
ПОС61М не разрешен к лужению и пайке в тиглях и ваннах из-за повышенной склонности к зернистости сплава при затвердевании, и густоты расплава, что ухудшает его технологические свойства.
Паяльник
Керамический нагреватель напоминает печатную плату, но не на стеклотекстолите, а на керамике и все это скручено в трубу. Наконечник устанавливается либо снаружи либо внутри этой трубы. Достоинство такой конструкции (на мой взгляд, сомнительное) в малой тепловой инерционности, т.е. паяльник после включения может выйти на рабочую температуру за 10 сек. Однако при работе на многослойных платах или в иных условиях сильного теплоотвода начинает сказываться относительно низкая теплопроводность керамики (по сравнению с медью) и система не успевает компенсировать тепло потери и температура падает.
Нихромовый нагреватель интересен только, если он выполнен на медном сердечнике. Нагревается он относительно медленно, на 300 градусов за 1 минуту, зато никаких проблем с компенсацией теплопотерь. Т.е. нет необходимости делать запас в задание температуры. Различие в теплопроводности усиливается из-за разной системы крепления наконечника. У паяльников РАСЕ, например, наконечник прижимается боковым винтом по всей длине к медному сердечнику нагревателя. Площадь теплового контакта очень большая. В случае с керамикой сильный прижим использовать нельзя вследствие хрупкости материала, т.о. наконечник одевается или вставляется в нагреватель с воздушным зазором, препятствующим теплопередаче. И, наконец, надежность! Известно, что керамика, выдерживает высочайшие температуры, но при этом плохо переносит быстрый нагрев и охлаждение, образуя микротрещины. Современная технология ручной пайки предполагает, что на рабочем месте имеется влажная губка для снятия припоя и иных наслоений с рабочей поверхности жала. Набрав некоторое количество припоя с флюсом, оператор совокупляет спаиваемые детали, жало с припоем и, если надо, дополнительное количество припоя. Вся масса припоя переходит в жидкое состояние, припой растекается по месту пайки. Оператор ждет немного (неопределенное время - вот оно, искусство оператора!), затем удаляет жало, место пайки остывает, припой затвердевает. Что дальше? Дальше, скорее всего, оператор кладет паяльник на подставку. Некоторое количество материала спаиваемых деталей перешло в припой, который остался на жале. Паяльник лежит, интерметаллиды растут... Оператор снова берет паяльник, процесс повторяется. Как правило, жало начинают чистить, когда зола флюса начинает мешать работе. Очищайте жало перед предварительным набором припоя!!! Тогда припой в месте пайки будет свежим, без интерметаллидов и окислов припоя, - именно это я имел в виду. Многие юго-восточные производители стали применять для очистки жала вместо губки клубок металлической стружки. Очищает жало очень эффективно + более безвредно.
Техника безопасности
Чтобы ответить точно на вопрос, чем вы дышите, нужно точно знать, чем и что вы паяете. Все перечисленные материалы выделяют одно и тоже, поскольку состоят из одних и тех же составляющих: олова, свинца, иногда кадмия, сурьмы, канифоли, всевозможных натуральных и синтетических растворителей и имульгатовор.
Таким образом, вы, я так подозреваю, дышите парами всех, или одного из, перечисленных металлов и их окислами. Канифоль и синтетические добавки модифицируются и вступают в реакцию. Чаще всего в ваши трохеи, бронхи и прочие альвиоллы попадают как пары компонентов флюсов (смотри техпаспорт на припой и флюс, и пасту) так и их модификанты, в основном фенолы и альдегиды всего перечисленного выше. Добавим сюда букет органических кислот и солей (в том числе и свинца) и получим в итоге дивный букет алергентов.
Аллергия - это самое приятное, что можно получить в итоге многодневного вдыхания предложенного "меню". Следующее по мере приятности - повышенное раздражение слизистой оболочки и слабая сопротивляемость к респираторным заболеваниям. Людям, чьи предки страдали от астмы, мы не рекомендуем долго находиться рядом с паяльником. И на конец, не хочу вас пугать, но при определенном стечении обстоятельств, и предрасположенности или врожденной склонности, или просто случайно... Я не видел сам, но говорят, что и... ну вообще и раком.
Ваше здоровье дорого для нас, поэтому применяйте все что можно. Но самое эффективное средство - это вечерние прогулки на свежем воздухе, и дымоуловители PACE. В заключение сделаем важное замечание. Любые работы с переносным электроинструментом, если он не снабжен корпусом с двойной изоляцией (а паяльник не снабжен!), допускаются вне помещений с изолирующим полом только при напряжении питания не более 36 В. К сожалению, мощных паяльников с таким рабочим напряжением вы не найдете. Поэтому, чтобы обезопасить себя, насколько возможно, от поражения током, следует предпринять определенные меры.
Не пренебрегайте правилами электробезопасности, ведь ваша жизнь дороже!
Факторы, влияющие на правильный выбор паяльной пасты
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (177 кб)
Выбирая паяльную пасту, пристальное внимание уделяют анализу сплава припоя и типу флюса. В основе выбора лежит информация о совместимости материалов, температуре и условиях эксплуатации, требуемой прочности паяного соединения, качестве спаиваемых поверхностей, реологических свойствах пасты, необходимости осуществления дальнейших операций отмывки и т.п.
Другим характеристикам, таким, как плотность сплава припоя и флюса, массовая доля припоя в составе паяльной пасты, уделяется меньшее внимание. Тем не менее, эти величины определяют один из основных факторов, характеризующих возможность дозировать паяльную пасту – объемную долю содержания припоя в составе пасты. Почему? Если объемная доля припоя достаточно высока, то паяльная паста склонна к "сухости", что приводит к блокированию иглы дозатора, а если объемная доля припоя низкая, то паяльная паста склонна к растеканию и образованию перемычек после дозирования. Некоторые пасты могут вытекать из дозатора, даже если к поршню не приложено никакого давления. Попробуем разобраться, какая же объемная доля припоя является оптимальной для обеспечения стабильного и качественного дозирования?
В большинстве случаев производители не указывают объемную долю припоя в составе пасты, а только массовую долю припоя. Например, в названии пасты SN62RP15AGS85 производства компании Multicore Solders зашифровано следующее:
SN62 – сплав Sn62/Pb36/Ag2;
RP15 – тип флюса;
AGS – размер частиц припоя 25–45;
85 – массовая доля припоя в составе паяльной пасты.
Однако объемная доля припоя может быть определена несколькими простыми вычислениями, результат которых может быть использован для определения возможности дозировать паяльную пасту.
Исходя из простейших физических понятий, можно привести следующие соотношения:
...................
где:
ra, rf, rp – плотность припоя, флюса, пасты
va, vf, vp – объем припоя, флюса, пасты
a – массовая доля припоя в составе паяльной пасты
Используя эти соотношения, можно выразить плотность любой паяльной пасты через плотности ее компонентов и массовую долю припоя в составе пасты. Плотность некоторых сплавов приведена в таблице 1.
Например, плотность паяльной пасты Sn62RP15AGS85, в состав которой входит припой Sn62 c плотностью 8,5 г/см3 и плотностью флюса 1 г/см3, будет равна 2,86 г/см3.
Объемная доля припоя может быть выражена из формул 1 и 2.
....................
Тогда, решая для объемной доли припоя, получим:
..................
Соотношение 7 выражает объемную долю припоя через функцию плотностей пасты, флюса и сплава. Соотношение 4 выражает плотность паяльной пасты через массовую долю припоя и плотностей сплава и флюса. Таким образом, объемная доля припоя является простой функцией массовой доли припоя, плотностей сплава и флюса. Используя эти соотношения, можно построить графики объемной доли припоя в зависимости от массовой доли припоя для различных сплавов и флюсов, чтобы определить комбинации этих величин, обеспечивающих дозируемость паяльных паст.
"МАГИЧЕСКОЕ ЧИСЛО"
На графике 1 изображена зависимость объемной доли припоя от выбранного припоя (плотности сплава припоя), где плотность флюса принята за 1 г/см3.
Опыт применения паяльных паст показывает, что "магическое число" для обеспечения качественного дозирования – это объемная доля припоя около 40%. Пасты с более высокой объемной долей припоя являются "сухими" для дозирования и склонны к блокированию игл. Пасты с более низкой объемной долей припоя склонны к растеканию доз. Для стандартного сплава Sn62 объемная доля припоя (40%) соответствует массовой доле припоя (85%) в составе паяльной пасты.
При движении слева направо вдоль графика, соответствующего объемной доле припоя 40%, происходит пересечение графиков, соответствующих большей плотности сплава припоя. Таким образом, при более высокой плотности сплава (например, сплав 1Sn/97,5Pb/1.5 Ag имеет плотность 11,3 г см3), паяльная паста пригодна для дозирования при массовой доле припоя 88%. По этой же причине, более "легкий" бессвинцовый сплав Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 (96SC) с плотностью 7,5 г см3 должен иметь в составе паяльной пасты массовую долю 83–85%.
График 2 раскрывает зависимость объемной доли припоя от массовой доли припоя, рассчитанной для различных плотностей флюса. Все кривые приведены для сплава Sn62 с плотностью 8,5 г/см3. Этот график раскрывает, как может быть изменена плотность флюса для достижения объемной доли припоя 40% в составе паяльной пасты.
Суммируя, можно предложить следующие рекомендации:
1) При выборе паяльной пасты для дозирования, проанализировав тип сплава и состав флюса, необходимо дополнительно проверить величину массовой доли припоя в составе паяльной пасты, которая должна быть не более 40%.
2) При известном полном описании паяльной пасты (тип сплава, флюса и массовой доли припоя) может быть заранее проверена возможность ее дозирования. Конечно, при этом должны учитываться реологические свойства флюса и размер частиц припоя.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАЯЛЬНЫХ ПАСТ
· Размер частиц припоя. Наиболее используемый размер частиц припоя соответствуют типу 3 по классификации IPC или AGS по классификации Multicore Solders. Классификация частиц припоя содержится в Таблице 2.
· Вязкость. Пасты, предназначенные для дозирования, должны иметь вязкость в диапазоне 300-450х103 сПз. Пасты, предназначенные для нанесения через трафарет, имеют более высокую вязкость в диапазоне от 650–1200 х103 сПз.
· Упаковка. Выбирая паяльные пасты в различных типах упаковки, следует учитывать следующее:
– Основные типы упаковки паяльных паст для дозирования имеют объем: 3, 5, 10 и 30 см3. Во время дозирования паяльной пасты большое количество импульсов снятия и приложения давления на поршень может вызвать расслоение ее компонентов. Соответственно, паста в более крупной упаковке подвергается такому воздействию более длительное время, а значит, в такой упаковке паста более подвержена расслоению. Поэтому наиболее предпочтительной упаковкой является 10 см3 (25 г), так как в ней снижается вероятность расслоения составляющих (флюса и припоя).
– Конструкция носика шприца, предназначенного для передачи пасты из резервуара более крупного диаметра в трубку меньшего диаметра, также влияет на качество дозирования. Существует две общепринятых формы носика: конус и полусфера.
· Выбор иглы. Внутренний диаметр иглы выбирается в зависимости от размеров частиц припоя пасты, исходя из условия, что он должен быть не менее 7–10 максимальных диаметров частиц припоя.
· Включения воздуха в паяльной пасте являются нежелательными, так как могут вызвать брак при дозировании - пропуск доз. Большинство шприцов разработано таким образом, чтобы исключить захват воздуха. Для исключения этого дефекта рекомендуется транспортировать и хранить шприцы вертикально, носиком вниз. Перед началом работы шприцы должны контролироваться на наличие включений пузырьков воздуха.
· Недопустимо перекладывать пасту, предназначенную для трафаретной печати, из банок в шприцы, потому, что такие пасты имеют совершенно другие реологические свойства и объемную долю припоя больше 40%.
ВЫВОДЫ
К сожалению, окончательное решение о пригодности пасты к дозированию нельзя делать только на основе приведенных в статье принципов, требуются и экспериментальные опыты. Однако, учитывая эти принципы при выборе паяльной пасты, и зная, какие ее характеристики (сплав, флюс, массовая доля припоя, размер частиц припоя, вязкость, тип упаковки) будут влиять на процесс дозирования, можно избежать многих проблем и получить успешный и качественный процесс дозирования.
Разновидности паяльных паст
ПАЯЛЬНАЯ ПАСТА KESTER, НЕ ТРЕБУЮЩАЯ ОТМЫВКИ R 276
Паста KESTER R 276 представляет собой не требующую отмывки паяльную пасту, имеющую оптимальные характеристики при любых методах дозирования. Паста R 276 фасуется без пустот для обеспечения непрерывного нанесения с применением высокоскоростных автоматизированных процессов. Реологические свойства пасты R 276 обеспечивают отличные характеристики дозирования в широком диапазоне диаметров дозирующих трубчатых игл-насадок.
Преимущества:
- Производится и фасуется без пустот для обеспечения наиболее непрерывного нанесения;
- допускает нанесение нескольких тысяч доз пасты в час на высокоскоростном автоматизированном оборудовании;
- высокая активность на всех платах, включая пассивированную медь OSP;
- стабильная клейкость свыше 8+ часов;
- паста совместима с паяльной пастой R 256 фирмы Kester;
- классификация флюса по стандарту J-STD-004: ROL0;
- соответствует нормам Bellcore GR-78.
Наличие:
Паяльная паста R 276 обычно имеется в наличии в виде сплава Sn62Pb36Ag02.
Содержание припоя для указанных сплавов - 87%. Для других сплавов содержание порошка припоя может быть другим.
Упаковка: Шприцы по 35 граммов (10 куб. см);
Физические свойства:
Данные представлены для сплава Sn63/Pb37 с содержанием порошка припоя 87%, размер зерна 25- 45 мкм.
Вязкость: по Мэлкому 670 poise @ 10 RPM (типичное значение) на вискозиметре Мэлкома при температуре 25 oС;
Испытание на образование шариков припоя: прошел;J-STD-005, IPC-TM-650, метод 2.4.43;
Характеристики надежности:
Коррозия зеркальной медной поверхности: низкая; J-STD-004, IPC-TM-650, метод 2.3.3;
Водородный показатель, 5% раствор (экстракт флюса): 5,7 (типичное значение);
Качественные испытания на содержание галоидов:
Хромат серебра: прошел;J-STD-004, IPC-TM-650, Метод 2.3.33
Фториды, испытание методом пятна: прошел; J-STD-004, IPC-TM-650, Метод 2.3.35.1.
Количественные испытания на содержание галоидов:
- Хлориды и бромиды: не обнаружены; J-STD-004, IPC-TM-650, Метод 2.3.35;
- Фториды, испытание методом пятна: не обнаружены; J-STD-004, IPC-TM-650, Метод 2.3.35.2;
- Типовое испытание поверхностного сопротивления по стандарту IPC: прошел; J-STD-004, IPC-TM-650, Метод 2.6.3.3;
Плата без монтажа после выдержки 24 часа: 1,0Е+10;
Плата без монтажа после выдержки 96 часов: 1,3Е+10;
Плата без монтажа после выдержки 168 часов: 1,3Е+10;
Без удаления остатков флюса после выдержки 24 часа: 9,8Е+08;
Без удаления остатков флюса после выдержки 96 часов: 1,6Е+09;
Без удаления остатков флюса после выдержки 168 часов: 1,1Е+09.
- Типовое испытание поверхностного сопротивления по методике Bellcore: прошел; Протестирован по стандарту GR-78, раздел 13.1.3;
Плата без монтажа после выдержки 24 часа: 1.3Е+11;
Плата без монтажа после выдержки 96 часов: 2.2Е+11;
Без удаления остатков флюса после выдержки 24 часа: 3.0Е+11;
Без удаления остатков флюса после выдержки 96 часов: 3.1Е+11;
Наличие:
Паяльная паста R2 76 обычно имеется в наличии в виде сплава Sn62Pb36Ag02. Рекомендуется применение порошка типа 3 с соответствующим размером зерна, однако имеется порошок типа 4 для вариантов применения трубчатых игл-насадок с меньшим диаметром.
Паяльная паста R 276 фасуется только в шприцах емкостью 10 и 30 куб. см.
Для получения информации о специальной расфасовке смотрите описание фасовочной тары фирмы Kester.
Характеристики дозирования:
Для пасты с порошком типа 3 (25-45 мкм) могут использоваться иглы с размерами вплоть до 22.
Иностранное предприятие «Стела Монтис» поставляет полный совместимый ряд паяльных материалов, в том числе и паяльные пасты, производимые фирмой AIM. Данные пасты относятся к материалам, предназначенным для поверхностного монтажа, они в течение многих лет известны на международном рынке безупречным качеством и высокой технологичностью. Основными преимуществами паяльных паст AIM перед другими паяльными формулами являются: точность дозирования припоя и флюса и срок хранения в холодильных камерах до 1 года.
Компания AIM изготавливает паяльные пасты на основе любого из сплавов производства этой компании. Составом сплава обуславливаются физические свойства пасты, а также определяется температурный режим пайки. Наиболее распространенными являются сплавы Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37.
Компания «Стэла Монтис» поставляет полный совместимый ряд паяльных материалов, в том числе и паяльные пасты, производимые фирмой AIM. Данные пасты относятся к материалам, пред назначенным для поверхностного монтажа, они в течение многих лет известны на международном рынке безупречным качеством и высокой технологичностью. Основными преимуществами паяльных паст AIM перед другими паяльными фор мулами являются: точность дозирования припоя и флюса и срок хранения в холодильных камерах до 1 года. Это способствует предотвращению растекания припоя, что, в свою очередь, обеспечивает хороший вне уний вид соединения, и возможность по дачи припоя в соединения сложной кон фигурации. Паяльные пасты представляют собой механическую смесь ряда субстанций: флюса, порошкообразного сплава-припоя и связующего материала. При этом свойства паяльной пасты обусловлены характеристиками входящих в ее состав веществ:
1) Порошкообразный сплав-припой:
a) Состав сплава.
Компания AIM изготавливает паяльные пасты на основе любого из сплавов производства этой компании. Составом сплава обуславливаются физические свойства пасты, а также определяется температурный режим пайки. Наиболее распространенными являются сплавы Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37.
b) Размер и форма порошковых частиц.
Современные средства производства позволяют компании AIM получать широкий спектр дисперсности порошков всех сплавов, как основных, так и специальных. Дисперсность порошка определяется величиной зазора и методом нанесения паст на поверхность паяемых соединений. Наиболее универсальным размером металлических частиц можно считать 45 микрон, что является типом 3 по классификации AIM. Форма частиц во многом определяет возможность нанесения пасты тем или иным способом. Частицы сферической формы позволяют наносить пасту, как через дозатор, так и через трафарет-сетку.
c) Содержание металла в пасте.
Содержание металла определяет толщину оплавленного припоя, оседание и растекание порций пасты, и другие свойства. Обычно содержание металла варьируется в пределах 85-90% по массе, что является наиболее приемлемым для большинства практических применений.
2) Флюс:
a) Тип флюса.
Вводимый в паяльную пасту флюс играет ту же роль, что и флюс, используемый при контактной пайке. Для изготовления паст фирмой AIM используются различные типы флюсов: безотзывные, водосмываемыеи RMA. Тип и состав флюса влияет на физические свойства пасты, обуславливает ее активность и особенности отмывки.
3) Связующие вещества.
Связующие вещества, вводимые в порошок припоя, обычно нейтральны к припою в процессе хранения и пайки, а при нагревании расплавляются и испаряются без образования трудноудаляемых твердых остатков. Именно связующие вещества придают паяльной пасте требуемую вязкость, препятствуют ее расслоению и растеканию, определяют разрешающую способность пасты и обеспечивают ее клеящие и адгезивные свойства.
С помощью подбора компонентов пасты можно изменять характеристики пасты, в частности ее реологические характеристики, включая способность пасты к вязкому течению и деформации. Обычно пасты с низкой вязкостью используются при необходимости их нанесения на большую поверхность, а более вязкие пасты чаще используются для автоматического дозирования. Как правило, способ нанесения определяет, и вари ант фасовки: банки, тубы, картриджи.
Рассмотрим различные типы паяльных паст AIM и их свойства на примере паст, изготовленных на основе серебросодержащего сплава Sn62/Pb36/Ag2. Этот сплав является наиболее распространенным в ряду традиционных сплавов, содержащих свинец, и характеризуется температурой плавления 179оС. Компания AIM производит целый ряд бессвинцовых паяльных паст с различными видами флюса. Подробно бессвинцовые паяльные материалы будут рассмотрены в одном из последующих номеров журнала. Также Вы можете получить подробную консультацию у специалистов компании.
ПАЯЛЬНЫЕ ПАСТЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ОТМЫВКИ
Паяльные пасты этого типа фирмой AIM разработаны на основе синтетических материалов. Остатки таких паст не являются коррозийными и токопроводящими и могут быть оставлены на плате без отмывки при условии эксплуатации платы в условиях стандартной влажности и температуры. Тем не менее, ряд производственных процессов требует повышенной надежности производимой продукции и, следовательно, отмывки остатков паст с печатных плат. В этом случае для отмывки могут применяться специальные средства (например, AIMterge 520A и DJAW-10), изготовленные компанией AIM, на которых подробнее мы ос тановимся в следующей статье. Все безотзывные паяльные пасты AIM совместимы с любым безотмывным флюсом производства этой компании, а также любым трубчатым припоем AIM, рекомендованным компанией для работы с безотмывными материалами.
Свойства и сравнительные характеристики некоторых паст AIM с безотмывным флюсом приведены в таблицах
2 и 3.
Все перечисленные в таблицах 2 и 3 пасты соответствуют требованиям Bellcore и IPC. Одним из бесспорных преимуществ приведенных паст является продолжительное время жизни на трафарете и улучшенная реакция на простой трафарета. Кроме того, все безотзывные паяльные пасты AIM имеют длительный срок хранения: до 1 года в холодильнике при температуре около 40С, и до 6 месяцев при комнатной температуре.
ВОДОСМЫВАЕМЫЕ ПАЯЛЬНЫЕ ПАСТЫ AIM
Водосмываемые паяльные пасты, как правило, активированы органическими веществами и имеют кислотную реакцию. Этим объясняется необходимость отмывки остатков этих паст, которые могут послужить причиной коррозии, с платы. Как правило, чем более активна паста, тем короче допустимый промежуток времени между оплавлением и отмывкой, которая производится горячей водой.
Следует отметить, что, как правило, для оплавления водосмываемых паст рекомендуется использовать температурный режим «нагрев-пик». Это связано с тем, что при использовании режима «на грев-выдержка-пик» может негативно влиять на активность водосмываемых паяльных паст.
Основные характеристики паяльной пасты WS483 с водосмываемым флюсом представлены в таблице 4 и 5.
Все водосмываемые паяльные пасты настоятельно рекомендуется хранить в холодильнике при температуре около 40С. Они совместимы с любыми водо-смываемыми флюсами и трубчатыми припоями производства AIM, предназначенными для работы с водосмываемыми материалами.
Паяльная паста WS483 может быть рекомендована как для трафаретной печати, так и для нанесения через дозатор.
RMA ПАЯЛЬНЫЕ ПАСТЫ AIM
RMA паяльные пасты являются активными пастами, разработанными на основе канифоли. Свойства RMA паяльных паст AIM могут быть рассмотрены на приме ре наиболее широко применяемой пасты RMA/NC 212 , характеристики которой приведены в таблицах 6 и 7. RMA/NC 212 сочетает в себе свойства:
• безотмывных паяльных паст, так как остатки этой пасты могут быть оставлены на плате без отмывки. Тем не менее, совместимость остатков зависит от требований, предъявляемых к плате.
• RMA паст, демонстрируя высокую активность и смачивание. RMA пасты могут применяться в сочетании с RMA флюсами и трубчатыми припоями, совместимыми с RMA мате риалами. Остатки этих паст могут быть удалены с платы с помощью специальных средств для отмывки.
Оплавление RMA/NC 212 производится соответственно термическому ре жиму «нагрев-выдержка-пик». RMA/NC 212, подобно безотмывным паяльным пастам AIM, сохраняет свои свойства в течение 1 года в холодильнике, при температуре около 40С, и в течение 6 месяцев при комнатной температуре. Все паяльные пасты AIM поставляются в стандартных упаковках, а также могут поставляться в специальных упаковках по требованиям заказчика. Наиболее употребляемыми стандартными являются:
• Банки 500 г для трафаретной печати,
• Шприцы 10 см3 с содержанием пасты 35 г.
Являясь сложной субстанцией, любая паяльная паста требует соблюдения определенных правил хранения, подготовки к работе, нанесения и оплавления. Краткие сведения о наиболее распространенных проблемах, возникающих в процессе применения паяльных паст, и способы их устранения приведены в таблице 7.
Вместе с тем, в значительном количестве случаев дефекты поверхностного монтажа зарождаются еще до того, как паяльная паста была извлечена из упаковки. Дело в том, что разработанные изготовителем характеристики паяльных паст (время схватывания, время жизни на трафарете, реология) по мере старения пасты могут подвергаться негативным изменениям. Этих изменений можно избе жать, соблюдая условия транспортировки, хранения и применения. Остановимся подробнее на основных факторах, влияющих на свойства паяльных паст.
Воздействие окружающей среды. Паяльные пасты особенно чувствительны к теплу и влажности, воздействие которых может существенно повлиять на свойства и срок хранения пасты. Некоторое рас слоение паяльной пасты, когда на ее поверхности появляется небольшое количество флюса, является нормальным для паяльной пасты. Но в результате воздействия избыточного тепла расслоение пасты резко возрастает, приводя к изменению ее реологии и, следовательно, дефектам печати и оплавления. Внешним признаком этого явления может служить значительное количество флюса, выделившееся на поверхности пасты.
Поскольку все паяльные пасты гигроскопичны, по отношению к ним влажность является одним из наиболее разрушающих загрязняющих агентов. Паяемость паяльной пасты зависит от окисленнос-ти и загрязненности поверхности частиц порошка припоя. Усиление окисления порошкового припоя в результате воз действия влажности ведет к уменьшению остаточной активности флюса, так как большая часть его активности расходуется на очистку порошкового припоя от окислов. Результатом может быть ухудшение смачивания, растекание, ведущее к образованию токопроводящих перемычек, разбрызгивание флюса и сокращение времени схватывания.
Принципы транспортировки заключаются в минимизации негативного воз действия окружающей среды на паяльную пасту и сводятся к сокращению времени транспортировки и использованию термоизоляционной упаковки.
Паяльную пасту рекомендуется хранить в холодильнике при температуре около 4оС, что в большинстве случаев удваивает срок ее хранения. При невозможности хранить пасту в холодильнике не обходимо контролировать температуру и
влажность воздуха в помещении, где хранится паяльная паста, не допуская резких перепадов. Температура воздуха не должна превышать 25оС, а влажность – 80%.
При подготовке паяльной пасты к работе следует извлечь ее из холодильника и дать ей возможность прогреться естественным путем до комнатной температуры. Не следует распечатывать пасту и открывать банку до того, как паста полностью прогреется, что в среднем занимает 4-6 часов. Не следует пытаться форсировать процесс прогревания пасты, так как это может при вести к ее расслоению и/или негативно воздействовать на ее реологию.
После того, как паста согреется, ее не обходимо аккуратно и тщательно перемешать в одном направлении в течение 1-3 минут. Это обеспечивает соединение рас слоившихся составных частей пасты. Тем не менее, не следует перемешивать пасту слишком интенсивно или слишком долго, так как это может привести к ее разжижению и, следовательно, к возможному растеканию пасты и образованию токопроводящих перемычек.
Процесс подготовки паяльной пасты к работе можно автоматизировать путем использования специальных устройств для подготовки паяльной пасты. Такие устройства сводят подогрев и перемешивание пасты в единую автоматически выполняемую операцию, что, в конечном счете, благоприятно влияет на весь производственный процесс. Подготовка паяльной пасты к непосредственному использованию и приведение ее в оптимальное рабочее состояние происходит не более чем за четверть часа независимо от ее исходной температуры.
Как уже было отмечено, воздействие тепла и влажности разрушительно для пасты. В идеале, температура и влажность воздуха в зоне печати должны составлять 22-26оС и 40-50% соответственно. Кроме того, не должно быть воздушных потоков (теплых или холодных), направленных непосредственно на трафарет, так это вызывает высыхание пасты. Следует затмить, что некоторые принтеры, оснащенные системами контроля внешней среды, могут вызывать циркуляцию воздуха вокруг трафарета. Путем несложных модификаций эта циркуляция может быть устранена или значительно сокращена, что в большой степени продлевает жизнь пасты на трафарете.
Первичное количество пасты, наноси мой на трафарет при начале работы, превышает необходимое в 2-3 раза. Длина первичного валика пасты должна соответствовать области печати, диаметр –
около 13-17 мм. Для обеспечения качественной печати необходим контроль количества пасты во время работы принтера. Это достигается путем добавления пасты небольшими количествами через короткие интервалы, обеспечивая постоянное наличие свежей пасты на трафарете. Напротив, если добавлять пасту большими порциями 1-2 раза за смену, то ее качество может ухудшаться за счет длительного воздействия окружающей среды.
Распечатанные банки с пастой рекомендуется хранить плотно закрытыми при комнатной температуре, не помещая их в холодильник. Повторное охлаждение пасты может привести к конденсации влаги, поступившей в пасту из окружающего воздуха и, как следствие, к описанным выше проблемам, связанным с воз действием влаги.
Возможно повторное использование оставшейся на трафарете пасты, хотя это и не является широко рекомендуемой практикой. В этом случае следует собрать оставшуюся пасту в отдельную банку и затем добавлять ее на трафарет в равных пропорциях со свежей пастой. Пропорции могут варьироваться для достижения наилучшего эффекта, но в целом этот метод способствует минимизации ущерба качеству печати. Тем не менее, многие производственные компании предпочитают не использовать пасту повторно во избежание возможных проблем.
Частота очистки трафарета зависит от особенностей конкретного процесса. Иногда требуется очищать трафарет после каждой платы, и иногда – один раз за смену. В любом случае, для очистки трафарета следует применять специальные средства, не вызывающие высыхание пасты. Тем не менее, следует тщательно удалять излишки средства с трафарета, так как они могут вызывать разжижение пасты или препятствовать нормальному скольжению пасты по трафарету.
В заключение следует сказать несколько слов о необходимости соблюдения правил безопасности при работе с паяльными пастами, являющимися умеренно опасными веществами. Использование соответствующей рабочей одежды и перчаток хорошая вентиляция рабочей зоны и аккуратное хранение пасты являются необходимыми мерами предосторожности в работе с этими материалами.
В следующей статье будут рассмотрены предлагаемые компанией AIM:
• Отмывочные жидкости.
• Бессвинцовые материалы
Продолжение следует.
Технология поверхностного монтажа (ТПМ) – это технология, применяемая при изготовлении электронных изделий на печатных платах, которая является на сегодняшний день самой распространенной. При осуществлении поверхностного монтажа одной из основных операций является нанесение паяльной пасты. В данной статье рассмотрен данный этап и показана его важность для всего процесса поверхностного монтажа в целом. Приведены возможные ошибки и связанные с ними дефекты изготавливаемых электронных продуктов.
Основой технологии поверхностного монтажа можно считать пайку оплавлением с помощью печи оплавления, которая основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты, основными составляющими которой служат припой, флюс и органические наполнители.
Приблизительно половину объема и 90% по массе паяльной пасты составляет припой. Состав припойного сплава аналогичен припою, применяемому при других методах пайки (олово-свинец с добавлением 2% серебра и другие сплавы с содержанием висмута, индия, золота и др. металлов). В паяльной пасте припой содержится в виде частиц. Считается, что размер апертуры (апертура - отверстие в металлическом трафарете, задающем контактные площадки на печатной плате) для нанесения пасты должен быть в 5 раз больше среднего диаметра частицы припоя.
Флюсы нужны для подготовки поверхности перед пайкой. То, что они входят в состав паяльной пасты, служит преимуществом ТПМ. По методу удаления остатков флюса с поверхности флюсы различают на несмываемые, водосмываемые и смываемые растворителями. Органические наполнители в составе паяльных паст позволяют регулировать такие свойства, как тиксотропность и осадка пасты. Тиксотропность является важнейшим свойством паяльной пасты и обеспечивает ее переменную вязкость. При прохождении пасты через дозатор вязкость уменьшается, а затем – увеличивается, надежно фиксируя отпечаток. Осадка пасты – это свойство отпечатка пасты растекаться со временем.
Нанесение паяльной пасты на контактные площади может быть выполнено с помощью дозатора или через специальный трафарет. Эта операция имеет большое значение для получения качественной пайки, так как недостаточное количество пасты может привести к отсутствию соединения, а избыток – к образованию перемычек.
Нанесение пасты с помощью дозатора - не очень точный и производительный метод. Поставка паяльных паст осуществляется в специальных шприцах, на которые можно устанавливать иглы разного диаметра, обеспечивающие нанесение определенного объема пасты. Дозирование пасты может производиться как вручную, так и с помощью автоматического оборудования. Для серийного производства характерно использование для нанесения паяльной пасты трафаретной печати, которая может выполняться автоматически, полуавтоматически или вручную с помощьютрафаретных принтеров. При трафаретной печати паста продавливается сквозь отверстия (апертуры) в металлическом трафарете. Трафареты получают способом лазерной резки или травлением.
Рис. 1 Трафарет для нанесения паяльной пасты
Ошибки при нанесении паяльной пасты ведут к возникновению брака и получению некачественной продукции. Рассмотрим типичные ошибки нанесения пасты в зависимости от применяемого метода нанесения.
При нанесении пасты с помощью дозатора вручную возможны две основные ошибки: во-первых, неточное дозирование, что приводит к возникновению перемычек после оплавления, а во-вторых – разное количество пасты на контактных площадках одного компонента, что может привести к опрокидыванию.
При автоматическом дозировании неточности дозирования по вине оборудования практически исключены, поэтому единственная возможная ошибка – это неверная настройка оборудования по вине оператора.
При ручной трафаретной печати возможны следующие ошибки: во-первых, неравномерное нанесение пасты, вызванное неравномерной силой прижатия ракеля к трафарету, во-вторых, смазывание пасты при отрыве трафарета от поверхности, и, в-третьих, неполное заполнение апертур из-за загрязненной кромки ракеля или использования некачественной пасты. При автоматической трафаретной печати возникновение брака чаще всего обусловлено неправильным подбором расстояния между трафаретом и ракелем, неправильному подбору скорости движения ракеля и другими настройками оборудования.
Неправильный подбор зазора между трафаретом и ракелем, скорости движения ракеля и других характеристик при настройке оборудования при трафаретном нанесении паяльной пасты приводит к возникновению следующих разновидностей дефектов:
|
Паяльная паста используется в технологии поверхностного монтажа в качестве материала, обеспечивающего образование паяных соединений между контактными площадками (КП) печатной платы (ПП) и выводами поверхностно монтируемых электронных компонентов(ЭК). Одним из важнейших достоинств пасты является ее многофункциональность и технологичность применения: помимо основного назначения в качестве припоя, она одновременно является флюсом, а также фиксирует компоненты при их установке на ПП. Применение паст позволяет значительно автоматизировать процесс нанесения. Правильный выбор пасты, соблюдение определенной технологии при подготовке ее к применению и предписанных производителем условий хранения – немаловажные факторы в обеспечении качества сборки электронного модуля. Эти вопросы рассмотрены в данной статье.
Паяльная паста представляет собой густую, вязкую массу, состоящую из смеси порошкообразного припоя и флюса-связки. Флюсовая составляющая пасты содержит канифоль или синтетические смолы, активаторы, добавки для контроля вязкости, стабилизаторы и растворители.
В электронной промышленности преимущественное распространение получили следующие припои: Sn63/Pb37 и Sn62/Pb36/Ag2 (добавление серебра снижает его миграцию с покрытия контактных поверхностей ЭК в материал припоя) для эвтектической пайки и Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 и Sn96,5/Ag3,5 – для бессвинцовой.
Форма и размер частиц припоя
Данные параметры пасты являются чрезвычайно важными, так как определяют пригодность пасты для нанесения конкретным методом: трафаретной печатью либо дозированием, а также существенно связаны с геометрическими размерами апертур трафарета и шагом выводов устанавливаемых ЭК. Пульверизация расплавленного припоя, которая обычно применяется для получения порошкообразной припойной составляющей паст, приводит к образованию частиц преимущественно сферической формы. Такие пасты можно наносить как трафаретной печатью, так и дозированием.
Чем меньше площадь поверхности частицы припоя, тем меньше степень ее окисления. Так как отношение площади поверхности S к объему частицы V равно 1,5·D, где D – диаметр частицы, следовательно, паста с меньшим размером частиц более склонна к окислению. Это же соображение справедливо для частиц неправильной формы по сравнению со сферической. Пасты с мелкими частицами склонны к образованию шариков припоя при пайке, с крупными частицами либо частицами нерегулярной формы – к закупорке трафарета при нанесении.
По размеру частиц припоя, пасты подразделяются на 6 типов (согласно стандарту IPC/EIA J-STD-005 [8], см. таблицу 1).
|
Таблица 1. Классификация паст по размерам частиц припоя согласно стандартам IPC/EIA J-STD-005 и ASTM B- 214 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Также используется классификация паст по стандарту ASTM B-214, где размер частиц оценивается густотой ячеек сетки, через которую может пройти определенное количество частиц. Например, параметр –200/+325 означает, что по крайне мере 99% частиц по массе пройдут через сетку в 200 ячеек/кв. дюйм и менее 20% - через сетку в 325 ячеек/кв. дюйм. Соответствие между двумя стандартами также приведено в таблице 1.
При выборе размера частиц пасты следует руководствоваться шагом выводов компонентов и шириной апертур (окон) трафарета. Преимущественно применяются пасты типов 2 и 3, для ЭК с малым шагом выводов – типа 3, при сверхмалом шаге может потребоваться применение паст типов 4 и 5. Для любых апертур необходимо, чтобы по крайней мере 4-5 частиц припоя умещалось вдоль сторон самой маленькой апертуры.
Содержание металла
Содержание металла в пасте определяет толщину оплавленного припоя, осадку и растекание пасты и указывается в % по массе. Более высокое содержание металла ведет к увеличению толщины соединения после оплавления. Следует иметь в виду, что высота оплавленного припоя отличается от толщины нанесенного слоя пасты и может колебаться от 50% начальной толщины при 90% содержании металла до 25% при 75% [6], что необходимо учитывать при обеспечении требуемого объема паяного соединения. Типичное значение содержания металла для паяльных паст – от 80 до 90%. Значения у верхнего предела указанного диапазона характерны для паст, предназначенных для трафаретной печати, у нижнего – для нанесения дозированием.
Классификация флюсов в составе паст
Тип флюса в составе пасты определяет ее активность, необходимость отмывки и применяемые при этом способы. Флюсам, требованиям к ним и методам их испытаний посвящен стандарт IPC/EIA J-STD-004 [9]. В целом, выделяют три категории флюсов по методу удаления их остатков:
1. Группа канифольных флюсов. Изготавливаются на основе очищенной натуральной смолы, добываемой из древесины сосны (55-65%). Внутри группы по степени активности делятся на:
а) неактивированные (Rosin, R);
б) среднеактивированные (Rosin mildly activated, RMA);
в) активированные слабокоррозионные (Rosin activated, RA).
Флюсы группы R имеют наименьшую активность среди вышеперечисленных. Наибольшее распространение получили RMA-флюсы, имеющие достаточную очищающую способность, обеспечивающие хорошее смачивание и растекаемость припоя. Такие флюсы явились предшественниками материалов, не требующих отмывки. Тем не менее, они могут быть коррозионными, поэтому рекомендуется проводить отмывку изделий после пайки (растворителями либо водными мыльными растворами).
RA-флюсы используются достаточно редко вследствие своей высокой активности, преимущественно для пайки подвергшихся сильному окислению поверхностей. Такие флюсы требуют обязательной отмывки органическими растворителями на основе спирта.
2. Водосмываемые флюсы (Water soluble), изготовленные на основе органических кислот (иначе называемые organic acid, OA). Обеспечивают хорошие результаты пайки благодаря своей высокой активности, однако требуют обязательной отмывки горячей деионизированной водой (55–65°С).
3. Безотмывные флюсы, флюсы, не требующие отмывки (No-clean, NC), изготавливаемые на основе натуральных и синтетических смол. Имеют в составе меньше смол, чем RMA-флюсы (35-45%), являются среднеактивированными, их остатки после пайки являются некоррозионными и непроводящими. Процент твердых остатков No-clean флюсов сведен к минимуму и составляет менее 2 %. Отмывка при использовании таких флюсов не является обязательной. Если отмывка все же необходима, то проводится с применением тех же материалов, что и для RMA-флюсов.
Реологические свойства
Данные свойства пасты определяют ее поведение на трафарете, геометрические характеристики отпечатка и характер изменения их во времени. Для процесса нанесения пасты имеют значение такие характеристики, как вязкость, осадка, время сохранения свойств,клейкость. Эти параметры контролируются путем введения в состав пасты при ее производстве модификаторов – загустителей либо вторичных растворителей. Они имеют высокую температуру кипения, так как должны работать вплоть до температуры оплавления припоя. Их остатки, не полностью удаленные при оплавлении, могут стать причиной образования пустот в паяном соединении.
Вязкость (viscosity) определяет густоту паяльной пасты. Пасты – тиксотропные материалы, меняющие вязкость при действии механической нагрузки. Такое свойство очень важно для процесса нанесения – паста располагается поверх окон трафарета в вязком состоянии, и приобретает текучесть при продавливании ее ракелем, заполняя окна. При снятии нагрузки, паста снова переходит в вязкое состояние, что заставляет ее находиться в пределах площади КП и предотвращает растекание по неметаллизированной поверхности ПП. Помимо нагрузки, на вязкость пасты оказывает влияние температура окружающей среды и размер частиц пасты (вязкость будет ниже в случае крупных частиц и повышения температуры).
Для измерения вязкости пасты служат два распространенных прибора: вискозиметры Брукфилда и Малкома.
Метод Брукфилда (стандарт IPC-TM-650 [7], методы 2.4.34 и 2.4.34.1 в зависимости от ожидаемой вязкости пасти) использует стандартный принцип ротационной вискозиметрии: измерение вязкости осуществляется посредством пересчета крутящего момента, необходимого для вращения шпинделя прибора (стандартный вискозиметр Brookfield RVTD или аналогичный, шпиндели TC и TF) с постоянной скоростью (5 об/мин) при погружении его в исследуемую пасту на глубину в 2,8 см от поверхности при температуре окружающей среды 25±0,25°С.
Метод Малкома (стандарт IPC-TM-650 [7], метод 2.4.34.2 и 2.4.34.3 в зависимости от ожидаемой вязкости пасти) также основан на ротационном принципе и использует прибор со спиральным адаптером, состоящий из внутреннего нарезного и внешнего вращающегося (со скоростью 10 об/мин) цилиндров, благодаря совместному действию которых паста продавливается вверх, и измеряется крутящий момент на штоке внутреннего цилиндра. Методики измерений вязкости подробно описаны в стандарте IPC-TM-650 [7].
Производителями паяльной пасты указываются значения по одной либо обоим методикам, выраженные обычно в системе единиц СГС в пуазах, пз [poise, ps] (преимущественно – для метода Малколма) или сотых долях пуаза·1000, кспз [kilo centi poise, kcps] (для метода Брукфилда), а также в паскаль-секундах [Па·сек] в системе СИ. 1[пз] = 0,1 [Н·сек/м² = Па·сек]. Взаимосвязи между значениями, полученными этими двумя методами, не существует.
Рабочая вязкость паст указывается производителем. Рекомендуется, чтобы она находилась в следующих пределах (кспз, метод Брукфилда) [6]:
Следует помнить, что повышение температуры уменьшает вязкость пасты. По мере обработки большого количества ПП происходит увеличение ее вязкости. Таким образом, для минимизации изменений вязкости необходимо добавлять свежую пасту в процессе печати, а также обеспечивать контроль температуры в зоне нанесения, что обеспечивается рядом моделей автоматов трафаретной печати.
Осадка – свойство пасты увеличивать размеры отпечатка после нанесения на КП. Для обеспечения хороших результатов пайки, осадка должна быть минимальной, так как чрезмерное увеличение отпечатков пасты ведет к образованию перемычек, в особенности для ЭК с малым шагом выводов.
Существует тест на осадку (стандарты IPC/EIA J-STD-005 [8], IPC-TM-650 [7], метод 2.4.35), заключающийся в нанесении пасты через трафарет заданной толщины (определяющей высоту нанесении пасты, в данном тесте 0,1 и 0,2 мм) на тестовую ПП с различным шагом выводов. Паста считается прошедшей тест на осадку для данной высоты нанесения и шага выводов, если после определенной выдержки (10-20 мин при 25±5°С и относительной влажности 50±10%; 10-15 мин при 150±10°С) эффекта осадки не наблюдается и между соседними КП не образуется перемычек.
Время сохранения свойств («время жизни»). Обычно данный термин означает максимальное время пребывания пасты на трафарете до нанесения, либо на ПП после нанесения, без деградации реологических свойств. Первое из них носит обозначение «stencil life» либо «print life» и составляет для различных паст обычно от 8 до 48 часов. Второе значение представляется более важным, так как оно определяет, через какой промежуток времени ПП должна быть передана на участок установки ЭК и далее на участок пайки (в настоящее время существуют пасты со значением данного показателя, равным 72 часам). Под данным параметром часто подразумевается время удержания ЭК на пасте («tack time», см. ниже в разделе «Клейкость»). Производителями паст обычно указывается один из этих параметров либо оба.
В целом, наиболее информативным является определение, обозначаемое обычно как «working life» («время жизни») [6]: максимальное время, прошедшее после открытия банки с пастой до ее оплавления без деградации реологических свойств. Он включает в себя время, требуемое на нанесение пасты, установку ЭК, предварительный нагрев при пайке и все промежуточные технологические операции.
Клейкость определяет способность пасты удерживать SMD-компоненты на своих местах после установки их на ПП и до пайки. Это свойство является индикатором того, подошло ли к концу время жизни пасты.
Тест клейкости (стандарты IPC/EIA J-STD-005 [8], IPC-TM-650 [7], метод 2.4.44) предусматривает применение стандартного тестера, измеряющего силу, необходимую для сдвига компонента определенного веса с площадки пасты определенного размера ( 6,3 мм и высоты 0,25 мм). Тестовый пробник двигается со скоростью 2,5±0,5 мм/мин и приводится в соприкосновение с компонентом, при этом в течение 5 секунд к компоненту прикладывается сила в 300±30 г. Далее производится сдвиг компонента с площадки с указанной скоростью и измеряется потребная для этого сила. Производится несколько измерений через определенные промежутки времени после нанесения пасты. Данные представляются в виде графика зависимости усилия сдвига от времени. По графику определяется время, обозначаемое как время удержания («tack life» либо «tack time»), по истечении которого сила сдвига уменьшается на 20%. Пиковая сила определяет собой удерживающую способность в граммах и обозначается в характеристиках пасты как «tackiness» либо «tack force» (типичное значение: 35 – 50 г). Обычно это значение относится к начальной клейкости, измеренной непосредственно после нанесения пасты («initial tackiness»).
Для различных паст время удержания может различаться и составлять до 24 и более часов (для паст с увеличенным временем удержания). Минимально приемлемый диапазон – от 4 до 8 часов. В целом (но не обязательно), канифольные и безотмывочные пасты обеспечивают большее время удержания, чем пасты, не требующие отмывки.
Способ нанесения пасты определяет вариант упаковки: шприцы (для ручного и автоматического дозирования), банки (для трафаретной печати при ручном нанесении), картриджи (при полуавтоматическом и автоматическом нанесении).
Типичные емкости упаковок: шприцы (обычно 10 и 30 см³), пластмассовые банки (500 г), картриджи (0,5 – 1,5 кг).
Соблюдение условий хранения и обращения с паяльной пастой поможет дольше поддерживать ее характеристики на требуемом уровне, что отразится в меньшем расходе пасты, большем выходе годных изделий, меньшем количестве дефектов. Производители паст указывают следующие параметры, имеющие отношение к хранению и работе с паяльной пастой:
Чрезмерный нагрев и охлаждение
Паяльные пасты обладают чувствительностью к чрезмерно низким и, в особенности, высоким температурам. Так как основой паст являются два материала с очень разной плотностью (припой и флюс), допускается небольшое естественное расслоение флюса и прочих составляющих пасты, а также образование небольшого приповерхностного слоя флюса. Чрезмерный нагрев в течение длительного времени приводит к значительному расслоению флюса и остальной пасты, образованию толстого приповерхностного слоя флюса. Результатом этого является изменение реологических характеристик пасты и, скорее всего, приведет к появлению дефектов при ее нанесении. Температура выше 30°С может вызвать химическое разложение пасты.
Как правило, производители не рекомендуют подвергать пасты воздействию низких температур. Активаторы флюса могут при этом частично перейти в осадок, что может снизить смачивающую способность пасты. В любом случае, следует провести тесты качества пасты после заморозки, перед использованием в производстве реальных изделий. Некоторые производители, тем не менее, предусматривают хранение своих паст при отрицательных температурах (от –20 до +5°С, [4]).
Воздействие влаги
Проникновение влаги, возможно, является наиболее пагубным воздействием на паяльную пасту. Избыточная влага в пасте вызывает и/или увеличивает окисление припойных шариков, что, в свою очередь, вызывает расход активаторов флюса в большей степени на очистку шариков, чем паяемых поверхностей КП и ЭК. Это может привести к плохому смачиванию либо его полному отсутствию. Также попадание влаги вызывает растекание пасты, что ведет к появлению таких характерных дефектов, как образование перемычек и шариков припоя, разбрызгивание припоя/флюса, смещение ЭК при пайке, уменьшение времени удержания ЭК.
Все пасты в той или иной степени гигроскопичны (впитывают влагу), поэтому следует избегать помещения паст во влажную среду (это замечание в особенности касается паст с водосмываемыми флюсами, но также применимо к пастам с флюсами, не требующими отмывки, и слабоактивированными канифольными флюсами).
Хранение
Согласно общим рекомендациям, паста должна храниться в холодильнике при температуре 4-5°С [2], что предотвращает испарение растворителя и снижает химическую активность пасты в процессе хранения. Некоторые производители рекомендуют более высокую температуру хранения: 8-10°С [3]. Хранение в холодильнике, как правило, в два раза увеличивает срок годности паст по сравнению с хранением при комнатной температуре. В случае хранения при комнатной температуре, необходимо поддерживать ее не выше 25°С при относительной влажности не более 60-80%. Не следует помещать в холодильник начатые банки с пастой – это может вызвать конденсацию абсорбированной влаги, что приведет к описанным выше проблемам. Банки с пастой нужно герметично закрыть и оставить при комнатной температуре для дальнейшего использования. Ряд производителей, тем не менее, рекомендует хранить начатые банки с пастой в холодильнике [3].
Сроки годности паст различны. В большинстве случаев, пасты с водосмываемыми флюсами хранятся в холодильнике от 3 до 6 месяцев, пасты с флюсами, не требующими отмывки – от 6 месяцев до 1 года. Срок хранения паст при комнатной температуре составляет, как правило, 1 – 4 недели [5]. Крайне важно использовать пасты в течение их срока годности, в противном случае возможно появление дефектов, связанных прежде всего с изменившейся вязкостью пасты. При использовании паст рекомендуется использовать принцип FIFO (First In, First Out – в данном случае «первым поступил - первым используется»), с целью недопущения залеживания паст на складе.
Если это необходимо, неиспользованный остаток пасты может некоторое время (обычно не более 12 часов) храниться с целью дальнейшего использования, хотя это и не является рекомендуемой производителями паст практикой. Необходимо снять пасту с трафарета, положить в чистую банку (нельзя перемешивать остатки со свежей пастой) и хранить при комнатной температуре. При дальнейшем использовании следует смешать равные объемы оставшейся и свежей паст, что восстановит ее характеристики и поможет осуществить приемлемую печать. Согласно рекомендациям некоторых производителей паст [1], следует добавлять небольшие объемы старой пасты к новой в течение рабочей смены или всего рабочего дня, с целью минимизировать последствия деградации пасты, а также уверенности в том, что вся старая паста использована перед финальной очисткой трафарета в конце дня. Многие производители не допускают повторного использования остатков пасты. Необходимо помнить, что отказ от их применения обойдется гораздо дешевле последующего ремонта собранных изделий.
Хранить банки, картриджи и шприцы с пастой следует в вертикальном положении, наконечниками шприцов вниз для предотвращения расслоения.
Подготовка к применению
Рис. 1. Рабочий механизм устройства автоматического перемешивания пасты. Фото: MalcomTech.
Перед использованием, паяльную пасту необходимо достать из холодильника и дать ей естественным образом достигнуть температуры окружающей среды. Не следует открывать и перемешивать пасту, пока она не нагрета до комнатной температуры. Типичное время нагрева/стабилизации паяльной пасты – от 4 до 6 часов. Не следует форсировать нагрев пасты и, тем более, нагревать ее в печи – это может привести к расслоению ее компонентов. Если паста используется в холодном состоянии, при нагреве образуется конденсат и произойдет поглощение пастой влаги. К тому же, непрогретая паста имеет тусклый внешний вид, ее сложно перемешивать, будет затруднено качение валика пасты по трафарету, паста может прилипать к ракелю.
Необходимо провести предварительную визуальную инспекцию пасты. Она должна иметь светло- либо умеренно серый цвет, быть достаточно однородной, без комков и посторонних включений, на поверхности не должна присутствовать сухая корка.
После достижения пастой рабочей температуры, необходимо добиться полной однородности ее состава путем перемешивания в банке (неметаллическим шпателем со скругленными углами) легкими движениями в одном направлении от 15-30 секунд до 3 минут (ближе к 1 минуте). Следует избегать сильного и длительного перемешивания пасты, что может привести к избыточному утончению ее слоев и, как следствие, к повышенной растекаемости и/или образованию перемычек.
Пасты в картриджах не требуют перемешивания, их реологические свойства восстанавливаются непосредственно в процессе нанесения.
Существуют устройства, осуществляющие автоматическое перемешивание и подогрев пасты без необходимости предварительного открытия заводской упаковки (что предотвращает окисление, избыточное увлажнение пасты и гарантирует отсутствие воздушных пузырьков при перемешивании). Данные установки обеспечивают стабильный результат вне зависимости от уровня подготовки оператора. Время от начала перемешивания до нанесения пасты на трафарет сокращается до 15 минут.
Рис. 2. Устройство автоматического перемешивания пасты: а) внешний вид; б) вид изнутри на рабочий механизм. Фото:MalcomTech.
Такие устройства, как правило, представляют собой центрифугу, на которой закреплено вращающееся коромысло с держателями емкостей с пастой (одной или двух банок, двух картриджей). Осуществляется сложное псевдо-планетарное движение (рис. 1), в процессе которого контейнер с пастой медленно поворачивается на конце коромысла, которое, в свою очередь, вращается с большой угловой скоростью. В результате паста перемешивается внутри контейнеров и одновременно нагревается за счет взаимного трения слоев. Внешний вид и вид на рабочий механизм такого устройств показан на рис. 2.
1. Tech-Sheet: Solder Paste Handling Guidelines/AIM. www.aimsolder.com
2. The Quick Pocket Reference For Solder Assembly/AIM. www.aimsolder.com
3. User‘s guidelines for Cobar No-Clean Solder Paste SnPb X-Series/Cobar Europe BV – 2003. www.cobar.com
4. Application Note: Procedures for Handling Solder Paste/Indium Corp. www.indium.com
5. Multicore Solders. Solder Paste Handling Guidelines/Henkel Loctite Adhesives Ltd. – 2004. www.loctite.com
6. Ray P. Prasad. Surface Mount Technology – Principles and Practice. 2nd ed. Kluwer Academic Publishers, Boston, USA, 2002. – 772 p.
7. IPC-TM-650. Test Methods Manual. Online-версия. www.ipc.org
8. IPC/EIA J-STD-005. Requirements for Soldering Pastes, Includes Amendment 1 – 1995. webvision.ipc.org
9. IPC/EIA J-STD-004. Requirements for Soldering Fluxes – 2004. webvision.ipc.org
10. Материалы фирмы AIM. www.aimsolder.com
11. Материалы фирмы Kester. www.kester.com
12. Материалы фирмы Cobar. www.cobar.com
13. Материалы фирмы Loctite. www.loctite.com
14. Материалы фирмы Indium. www.indium.com
15. Материалы фирмы MalcomTech. www.malcomtech.com