Кристаллизация металлической прослойки. После удаления источника тепловой энергии наступает стадия кристаллизации металлической прослойки, которая оказывает большое влияние на качество паяных соединений. Кристаллизация в шве начинается на основном металле, который оказывает сильное ориентирующее воздействие на расплавленный припой, и на тугоплавких частицах. На структуру паяного соединения влияют зазор, так как он определяет температурный градиент расплава, величину и протяжённость области концентрированного переохлаждения, а также скорость снижения температуры. При прочих равных условиях уменьшение зазора, а, следовательно, толщины кристаллизующейся жидкости приводит к таким изменениям указанных факторов, что дендритная форма кристаллов (при зазоре 0,5…2 мм) постепенно уступает место ячеистой (0,3…0,4мм), а ячеистая - преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью (0,1…0,2мм). Характерным для кристаллизации при пайке является ярко выраженная ликвация шва, связанная с образованием зональных неоднородностей, дендритных образований, отличающихся меньшей прочностью.
1.6 Выбор материалов для монтажной пайки
Флюсы. Флюсы, образуя жидкую и газообразную защитные зоны, предохраняют поверхность металла и расплавленного припоя от окисления, растворяют и удаляют плёнки оксидов и загрязнений с поверхности, улучшают смачивание металла припоем и растекание припоя за счёт уменьшения сил поверхностного натяжения. Выбор флюса производится, исходя из требуемой химической активности, которая должна быть наибольшей, в интервале температур, определяемом температурами плавления припоя. Он должен быстро и равномерно растекаться по паяемым материалам, хорошо проникать в зазоры и удаляться из них, легко вытесняться расплавленным припоем, быть экономичным. Правильно выбранный флюс ускоряет процесс пайки при минимально возможных температурах, что важно при сборке термически чувствительных элементов РЭА.
В зависимости от температурного интервала активности флюсы разделяются на низко- и высокотемпературные. Для электромонтажных соединений в основном применяются низкотемпературные флюсы, которые по коррозионному действию разбиты на пять групп:
некоррозионные, неактивированные;
некоррозионные, слабоактивированные;
слабокоррозионные, активированные;
коррозионные, активированные;
коррозионные, высокоактивированные.
По своему составу флюсы делятся на две группы. К первой относятся смолосодержащие флюсы на основе канифоли или полиэфирных флюсующихся смол (ПН-9, ПН-56). Они обладают широкой универсальностью не снижают электрического сопротивления подложки ПП, не вызывают коррозии соединяемых металлов. Флюсы этой группы обладают слабой химической активностью и предназначены для пайки легко паяемых металлов.
Канифольные флюсы активированные (2…3,5% органических кислот: бензойной, салициловой и др.) обладают повышенной активностью и используются при групповой и ручной пайке многослойных ПП. Сильное влияние этих флюсов на сопротивление изоляции диэлектриков и коррозию проводников требуют обязательной отмывки остатков флюса после пайки.
Ко второй группе относятся коррозионные, активные флюсы не содержащие смол. Для повышения активности флюсов в и их состав вводят активизирующие добавки: анилин, гидрозин, триэтаноламин, диэтиламин и т.д. Основное применение они нашли в процессе лужения и восстановления паяемости монтажных элементов после хранения на складе.
Составы некоторых широко используемых флюсов.
ФКСп; ФКЭт.
Состав: сосновая канифоль 10…60%, этиловый спирт 90…40%.
Паяемый материал: медь, серебро, олово, цинк, олово-свинец, золото, олово-висмут.
Применяемые припои: оловяно-свинцовые, оловяно-свинцово-кадмиевые, серебряные.
Область применения: пайка и лужение деталей и проводников в изделиях специального назначения, консервация в условиях складского хранения.
ФКТ .
Состав: сосновая канифоль 10…40%, метабромид-дипситена 0,05…0,1%, этиловый спирт отальное.
Применяемые припои: оловяно-свинцовые, оловяно-свинцово-висмутовые.
Паяемые материалы: медь, серебро, олово, кадмий, цинк, олово-свинец, олово-висмут, золото.
Область применения: пайка и лужение контактных соединений и поверхностей в изделиях специального назначения.
ЛТИ-120.
Состав: сосновая канифоль 20…25%, солянокислый диэтиламин 3…5%, триэталомин 1…2%, этиловый спирт остальное.
Применяемые припои: оловяно-свинцовые, серебряные.
Паяемые материалы: сталь, медь, никель и его сплавы, олово, серебро, кадмий, цинк, олово-свинец, олово-висмут.
Область применения: пайка и лужение деталей и проводников в изделиях широкого применения.
Припои. В качестве припоев используются различные цветные металлы и их сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Исходя из температуры плавления, припои разделяются на низко-, средне- и высоко температурные. Для пайки монтажных соединений ЭС применяют преимущественно низко- и среднетемпературные припои (Тпл 450 0С). Основными компонентами низко- и среднетемпературных припоев являются олово и свинец, к которым для придания специальных свойств могут добавляться присадки сурьмы, серебра, висмута, кадмия. Так, серебро и сурьма повышают, а висмут и кадмий понижают температуру плавления и затвердевания припоя. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова, при этом одновременно увеличивается и его стоимость, так как олово приблизительно в 20 раз дороже свинца.
Выбор марки припоя определяется назначением и конструктивными особенностями изделий, типом основного металла и технологического покрытия, максимально допустимой температурой при пайке ЭРЭ, а также технико-экономическими и технологическими требованиями, предъявляемыми к паяным соединениям.
К техническим требованиям относятся достаточная механическая прочность и пластичность, заданные теплопроводность и электрические характеристики, коэффициент термического расширения (КТР), близкий к КТР паяемого металла, коррозионная стойкость, как в процессе пайки, так и при эксплуатации соединений. припой должен быть экономичным и не содержать дефицитных компонентов.
Технологические требования к припою предусматривают хорошую смачиваемость соединяемых им металлов, высокие капиллярные свойства, малый температурный интервал кристаллизации для исключения появления пор и трещин в паяных соединениях, возможность дозирования его в виде проволоки, трубок с наполнением их флюсом, шариков таблеток и т.п.
С появлением в технологии РЭА поверхностного монтажа усиленно разрабатываются припои в виде паяльных паст. Паяльная паста представляет собой однородную суспензию порошка легкоплавкого припоя (диаметр частиц 5…25 мкм) во флюсующей связке, в которой кроме флюса (обычно канифоль) входят активатор, растворитель, дефлокулянт, антиоксидант и др. Качество паяльной пасты определяется размерами частиц и степенью однородности гранулометрического состава. Чем меньше размеры шариков припоя, тем точнее паста будет нанесена через сетчатый трафарет на контактные площадки ПП.
Марки припоя, их состав и назначение.
ПОС - 40, tплавл. 183 - 2380С.
Состав: олово 39…41%, свинец 61…59%.
Паяемый металл: медь, никель и их сплавы; ковар, серебро, золото, олово и его сплавы, кадмий.
Область применения: пайка и лужение деталей и монтажных проводов, жгутов, наконечников, проходных стеклянных изоляторов.
ПОС - 61, tплавл. 183 - 1900С.
состав: олово 60…62%, свинец 40…38%.
паяемый металл: то же, как ПОС - 40.
Область применения: пайка и лужение выводов интегральных микросхем и ЭРЭ, печатных плат, микропроводов, плёночных покрытий, работающих при температуре не более 1000С.
ПОСК 50 - 18, tплавл. 142 - 1450С.
Состав: олово 49…51%, кадмий 17…19%, свинец остальное.
Паяемый металл: то же.
Область применения: пайка и лужение ЭВА, керамических изоляторов, конденсаторов, проводов и т.д., не допускающих нагрев выше 1000С.
ПОССу 61 - 0,5, tплавл.183 - 1890С.
Состав: олово 60…62%, сурьма 0,2…0,5%, свинец остальное.
Паяемый металл: медь, никель и их сплавы, ковар, сталь, цинк, серебро, металлические и неметаллические материалы.
ПсрОС 3,5 - 95, tплавл. 220…2250С.
Состав: свинец 5…6%, серебро 3,1…3,5%, олово остальное.
Паяемый металл: медь, никель и его сплавы, неметаллы с напылённым химическим или гальваническим покрытием, палладий.
Область применения: пайка и лужение монтажных элементов изделий узлов ЭВА (соединение допускает электролитическое покрытие)
Очистные жидкости. Очистные жидкости предназначены для отмывки изделий от флюса после пайки. При выборе очистной жидкости необходимо учитывать состав остатков, её растворяющую способность, рабочую температуру, время и условия отмывки, влияние на элементы конструкции, токсичность и пожароопасность. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной горячей (60…800С) и холодной воде с помощью мягких щёток. Канифольные флюсы в процессе индивидуальной пайки промывают этиловым (изопропиловым) спиртом. При групповой пайке применяют ультразвуковую очистку или очистку щётками в спирто-бензиновой смеси (1:1), трихлорэтилене или хлористом метилене. Хорошие результаты получены при использовании фреона или смесей на его основе. Фреон характеризуется высокой чистотой (98,8%) и низким поверхностным натяжением, в результате чего он проникает в мельчайшие отверстия. Этот растворитель не воспламеняется, не ядовит, не разрушает резину, лаки, краски и большинство полимеров, легко регенерируется путём дистилляции, но экологически опасен.
Выбор конкретного материала для пайки производят в соответствии с отраслевыми стандартами.
1.7 Технология выполнения пайки
Среди методов выполнения монтажных соединений в РЭА пайка занимает доминирующее положение. В зависимости от типа производства она выполняется индивидуально с помощью нагретого паяльника или различными групповыми методами. Индивидуальная пайка эффективна при монтаже ПП в условиях единичного и мелкосерийного производства, для проводного монтажа, при запаивании элементов со штыревыми выводами на одной стороне ПП после выполнения пайки групповым способом на второй стороне, при макетных, ремонтных и регулировочных работах. К основным преимуществам групповой пайки относятся: строгое поддержание технологического режима, повышение производительности, увеличение надёжности соединений, лёгкость автоматизации. Но с их применением повышаются требования к однородности и качеству подготовки поверхностей, возникает необходимость в разработке мер по предотвращению перегрева термочувствительных элементов и подбора конструктивно-технологических решений по устранению характерных дефектов (сосулек, перемычек, наплывов и др.), усложняется процесс отмывки более активного, чем при индивидуальной пайке, флюса, который наносится в больших количествах. Выбор метода пайки зависит от программы выпуска изделий, особенностей конструкции, требований к качеству.
Технологический процесс пайки состоит из следующих операций:
фиксация соединительных элементов с предварительно подготовленными к пайке поверхностями;
нанесение дозированного количества флюса и припоя;
нагрев деталей до заданной температуры и выдержка в течение ограниченного времени;
охлаждение соединения без перемещения паяемых поверхностей;
очистка соединений;
контроль качества.
Индивидуальная пайка паяльником.
Требуемый температурный режим при индивидуальной пайке обеспечивается теплофизическими характеристиками применяемого паяльника:
1) температурой рабочего конца жала;
2) степенью стабильности этой температуры, обусловленной динамикой теплового баланса между теплопоглощением при пайке, теплоподводом и теплозапасом в паяльном жале;
3) мощностью нагревателя и термическим КПД паяльника, определяющими интенсивность теплового потока в паяемые соединения и необходимую температуру пайки.
Температура рабочего конца жала, измеряемая на холостом ходу, задаётся на 30… 700С выше точки ликвидуса припоя. Номинальное значение температуры определяется термической чувствительностью элементов. В процессе пайки температура жала паяльника снижается за счёт теплоотдачи, что при малой мощности нагревателя ограничивает число последовательно выполняемых соединений. Рекомендуемые мощности паяльников для пайки микросхем 4…18 Вт, для печатного монтажа 25…60 Вт, для проводного (жгутового) монтажа 50…120 Вт. Выбор мощности паяльников с учётом кпд (25…55%) производится в соответствии со средним теплопоглощением при многократной пайке элементов.
Стабилизация температуры производится с помощью:
1) массивного жала (до 3 мм для микропаяльников) и близкого расположения нагревателя;
2) импульсного нагрева, который эффективно восполняет потери тепла в процессе пайки;
3) электронных регуляторов, работающих на основании специальных датчиков (термопар);
4) использование для нагревателей материала, изменяющего своё электрическое сопротивление или магнитные свойства.
В качестве материала для паяльных жал используют медь ввиду её высокой теплопроводности. Но вследствие химического взаимодействия с расплавленным припоем и флюсом, термоударов, окисления кислородом воздуха и структурных изменений долговечность такого жала составляет 700…1000 паек, после чего его перезатачивают. Нанесение на жало химического никеля увеличивает период между заточками до 1500 паек, а гальванический никель толщиной до 90…100 мкм - до 2000 паек.