4.5. Групповые методы пайки
Пайкой называется образование соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.
К технологическим материалам при пайке относятся припои, контактные покрытия, а также материалы, компоненты которых непосредственно не входят в состав образующегося паяного соединения, но участвуют в его образовании. К ним относятся паяльные флюсы, активные и инертные газовые среды, вещества ограничивающие растекание припоя (стоп-материалы), и др.
Припои подразделяются на две группы – готовые и образующиеся при работе.
Готовые припои. Наиболее широкое применение при пайке находят готовые припои. Они подразделяются по следующим признакам: по величине их температурного интервала плавления; степени расплавления при пайке; основному или наиболее дефицитному компоненту; способности к самофлюсованию; способу изготовления и виду полуфабрикатов.
Температурный интервал плавления припоя – важнейший признак. Такой интервал ограничен температурой начала (солидус) и конца (ликвидус) плавления припоя. По температуре конца расплавления припои разделяют на пять классов: особолегкоплавкие (tпл ≤ 145оС); легкоплавкие (145оС ≤ tпл ≤ 450оС); среднеплавкие (450оС ≤ tпл ≤ 1100оС); высокоплавкие (1100оС ≤ tпл ≤ 1850оС); тугоплавкие (tпл ≥ 1850оС).
Число различных припоев, разработанных к настоящему времени, весьма велико и продолжает непрерывно увеличиваться, но в аэрокосмическом приборостроении в основном применяются особолегкоплавкие и легкоплавкие припои.
Восемь легкоплавких металлов – ртуть (tпл = 38,87оС), галлий (tпл = 29,78оС), индий (tпл = 156,4оС), олово (tпл = 231,9оС), висмут (tпл = 27139оС), свинец (tпл = 327оС), кадмий (tпл = 321оС), цинк (tпл = 419оС) – дают возможность получать большое количество различных припоев с температурой плавления в пределах 39 – 145оС и 145 – 450оС.
Такие припои нашли широкое применение в электронике, электротехнике, приборостроении.
Наибольшее применение находят оловянно-свинцовые припои (ПОС). Введение в эти припои меди, никеля, магния и цинка повышают их прочность, висмута и цинка – увеличивает их смачивающую способность и легкоплавкость. Наиболее распространены припои с температурой плавления 183оС.
В современном приборостроении существует множество различных способов пайки. Рассмотрим некоторые из них.
Пайка погружением. Способ заключается в том, что все выводы ЭРЭ одновременно припаиваются к контактным площадкам при погружении платы в расплавленный припой. Этот способ пайки предъявляет определенные технические требования к монтажу ЭРЭ и конструкции платы. Во всех случаях монтажа концы выводов ЭРЭ должны быть плотно прижаты к контактным площадкам или к зенковке металлизированных отверстий. Между поверхностями выводов ЭРЭ и отверстий в плате необходимо выдерживать оптимальные зазоры для обеспечения хорошего затекания припоя.
Процесс пайки погружением состоит из следующих основных операций: обезжиривания; наклейки маски; покрытия подготовленной поверхности флюсом; пайки; удаления маски; отмывки флюса; сушки и контроля.
Для обезжиривания плату погружают в специальные растворители. После выдержки (7 – 10 сек) плату извлекают из растворителя и обдувают сжатым воздухом до полного высыхания.
Защитные маски штампуют из бумажной ленты, покрытой костным клеем. При штамповке в маске образуются отверстия для крепления платы в процессе пайки. Сторону маски, покрытую клеем, смачивают водой, накладывают на нее плату и плотно прижимают на 2 – 4 мин. Затем плату укрепляют в зажимном приспособлении и в горизонтальном положении погружают в ванну с флюсом на глубину 0,8 – 0,9 толщины платы. Включают вибратор, амплитуду вибрации выбирают в зависимости от типоразмера платы, чтобы избежать разбрызгивания флюса. Затем плату извлекают из ванны и выдерживают для стекания припоя. После этой операции плату погружают в ванну с расплавленным припоем и включают вибратор. Плату выдерживают до тех пор, пока не появится припой в верхней части всех отверстий, после чего ее извлекают и выдерживают 5 – 7 сек над ванной, не выключая вибратор. Это необходимо для формирования припоя в виде полусферических головок.
При пайке погружением применяют припой ПОС-61, так как он обладает лучшей текучестью и более низкой температурой плавления, чем ПОС-40.
Пайка волной припоя. Схема пайки волной представлена на рис. 4.6.
Метод заключается в том, что в ванне с расплавленным припоем с помощью специального устройства, работающего от сжатого воздуха, создается плоская волна припоя в виде выступа. По гребню волны проходит печатная плата с установленными на ней ЭРЭ. Плата закрепляется на транспортере, который двигается под определенным углом к поверхности расплавленного припоя. Контакт платы с постоянным притоком припоя обеспечивает быструю передачу тепла, что сокращает время пайки. При пайке волной также необходимо провести операции защиты и флюсования, как и при методе пайки погружением.
-
Рис. 4.6. Пайка волной припоя
Качество пайки зависит от:
- параметров волны припоя (скорость, амплитуда, ширина);
- скорости движения транспортера;
- угла наклона транспортера;
- стабильности температуры припоя.
По мере возрастания плотности монтажа и, соответственно, уменьшения расстояния между токопроводящими дорожками возрастает вероятность возникновения перемычек, мостиков сосулек и др. Это приводит к ухудшению качества паяных соединений. Поэтому преобладающей становится пайка двойной волной припоя.
Пайка двойной волной припоя. Схема пайки двойной волной припоя представлена на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Пайка двойной волной припоя
При этом методе в ванне с расплавленным припоем создаются две волны припоя с регулируемыми скоростью, амплитудой и шириной волны. Параметры волн подбираются таким образом, чтобы первая волна скоростная и турбулентная обеспечивала полную смачиваемость и оплавление всех контактных точек на плате, а вторая – финишная с меньшей скоростью истечения удаляла излишки припоя, унося их в общий поток, для предотвращения наплывов и затекания припоя.
Однако при применении корпусов ЭРЭ с матричными и другими скрытыми выводами этот метод становится малоэффективным.
Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой среде. Схема пайки представлена на рис. 4.8.
Этот метод, называемый также конденсационной пайкой, обеспечивает равномерные нагрев и оплавления всех мест пайки одновременно, независимо от геометрии контактных площадок и проводников. Метод высокопроизводителен, хотя и дорогой.
Пайка осуществляется в парах фторсодержащей жидкости нагретой до температуры кипения.
На дно установки (рис. 4.8.) заливают специальную жидкость с низкой температурой испарения, которая быстро испаряется. Жидкость химически инертна по отношению к материалам, контактирующим с ней, и химически стабильна при пайке. Количество тепла, выделяемого при конденсации паров жидкости на поверхности ПП, достаточно для расплавления припоя, но недостаточно для ухудшения свойств паяемых изделий.
Рис. 4.8. Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой среде
Размер зоны пайки по высоте фиксируется расположением охлаждающего змеевика, конденсирующего пар на заданном уровне.
При парофазном (конденсационном) нагреве припой и флюс при монтаже размещают на контактных площадках в пастообразном состоянии. При погружении ПП в паровую подушку над кипящей жидкостью пар конденсируется на поверхности ПП, благодаря чему припой быстро и равномерно нагревается до температуры пайки.
К преимуществам конденсационной пайки относится та ее особенность, что независимо от размеров и формы любая поверхность, покрытая конденсатом паров, нагревается одновременно, что обеспечивает высокое качество пайки.
В настоящее время существуют полностью автоматизированные установки.
Разновидностью процесса является оплавление дозированного припоя в среде нагретого воздуха. Это дешевле, но качество пайки хуже из-за процессов окисления.
Пайка расплавлением дозированного припоя при его нагреве излучением. Существует несколько способов передачи тепла излучением.
Пайка световым лучом. Нагрев, сфокусированным световым лучом обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими видами пайки, а именно:
- бесконтактный подвод энергии к паяемым изделиям;
- источник энергии и нагреваемое изделие могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга;
- возможность нагрева материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;
- возможность проведения процесса пайки через прозрачные контейнеры в контролируемой атмосфере и в вакууме;
- относительная простота процесса управления и регулирования.
В качестве источников лучистой энергии используют мощные дуговые ксеноновые лампы и менее мощные кварцевые лампы. Оптическая система состоит из эллиптического зеркала и отражателя. Применяют точечные или щелевые излучатели. Диаметр пятна нагрева 1 – 5 мм.
При флюсовой пайке с нагревом сфокусированным световым лучом необходимо удалять нагреваемый объект от отражателя нагревателя примерно на 200 - 250 мм, так как пары припоя могут повредить оптическую систему установки.
Пайка инфракрасными лучами. Пайка инфракрасными лучами успешно используется в промышленности. В качестве источника излучения нашли применение галогенокварцевые лампы.
Тепловое или инфракрасное излучение с длиной электромагнитных волн 0,8∙10-3 – 0,8 м используют или для локального нагрева места пайки, или для общего нагрева изделия. Применяют йодные лампы накаливания, наполненные под давлением аргоном и парами иода.
Для концентрированного нагрева небольших участков используют малогабаритные лампы, работающие в любом пространственном положении. Эти лампы наполнены ксеноном с йодным наполнителем.
При этом необходимо учитывать неблагоприятные воздействия паров легкоиспаряющихся компонентов припоев и флюсов, вследствие чего ресурс ламп может сокращаться из-за помутнения зеркала рефлекторов и кварцевых колб.
Пайка электронным лучом. Процесс нагрева электронным лучом основан на использовании кинетической энергии электронов, быстро движущихся в глубоком вакууме. Сжатый в магнитных и электростатических фокусирующих линзах поток электронов перемещается с большой скоростью от катода к аноду в сильном электрическом поле. Кинетическая энергия соударения электронов с поверхностью детали анода превращается в тепловую, что приводит к ее нагреву.
Нагрев под пайку электронным лучом осуществляется в специальных вакуумных камерах. Электронный пучок образуется в результате эмиссии электронов с нагретого катода. Для пайки обычно применяют сканирующий или расфокусированный пучок электронов.
Отсутствие тепловой инерционности при этом способе пайки обеспечивает возможность точно управлять процессом нагрева в автоматическом режиме.
Существенные недостатки метода: сложность оборудования из-за наличия вакуума и управляющих устройств высокой точности, их высокая стоимость, а также низкая производительность процесса пайки.
Пайка лазером. Световой поток оптического квантового генератора (ОКГ) – электромагнитное излучение высокой интенсивности. В лазерах, применяемых в технологических целях, диапазон длины волн составляет обычно 0,4 – 10,6 мкм.
Нагрев лазером особенно эффективен при пайке изделий (микросхемы, транзисторы, диоды и др.), обладающих высокой чувствительностью к перегреву. Важнейшее его преимущество – локальный концентрированный нагрев и точное дозирование тепловой энергии.
При лазерной пайке происходит локальный равномерный нагрев припоя без перегрева. Скорость нагрева достигает 1010 оС/сек, скорость охлаждения после пайки – 106 оС/сек, что обеспечивает минимальное нарушение состояния основного материала и способствует повышению механических свойств паяного соединения. При пайке формируется кольцевая зона с высокой концентрацией энергии, что позволяет интенсивно нагревать паяемый участок, сохраняя изделие холодным.
При пайке конструкционно сложных изделий (микросхемы с большим количеством выводов) используют устройства, в которых луч лазера после выхода из генератора с помощью составной линзы разделяется на несколько лучей, каждый из которых по стекловолокну подается на свою фокусирующую линзу и фокусируется на месте пайки.
Преимущество лазерного излучения состоит в возможности легкой его фокусировки простыми оптическими методами. Лазерное излучение проникает сквозь прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть непосредственно направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например стеклянном, контейнере.
Другие преимущества пайки лазером проявляются при пайки малых деталей (ЭРЭ), когда необходим кратковременный нагрев, точное позиционирование, локальный подвод тепла, или в случае труднодоступности места пайки.
Для управления интенсивностью лазерного излучения изменяют длительность воздействия, площадь пятна нагрева (фокального пятна), выходную энергию.
К недостаткам этого метода следует отнести нестабильность выходных энергетических характеристик лазера, обусловленная пространственной и временной неоднородностью лазерного излучения.
Конвекционная пайка. Конвекция – это процесс переноса теплоты путем перемещения в пространстве отдельных объемов жидкости или газа, нагретых до различной температуры. В самой движущейся среде перенос теплоты осуществляется за счет теплопроводности.
Коэффициент теплоотдачи характеризует теплопроводность окружающей жидкости или газообразной среды и численно определяет интенсивность теплоотдачи поверхности тела. Коэффициент теплоотдачи при пайке зависит от конструкции паяемого изделия, его габаритов, массы, температуры и скорости движения окружающей среды, ее физических свойств. Наибольший коэффициент теплоотдачи имеют жидкие расплавы солей и металлов. Поэтому скорость нагрева деталей в них, особенно при низкотемпературной пайке, в 3 – 6 раз выше, чем при нагреве в печах с газовой атмосферой.
Нагрев горячим газом находит широкое применение при низкотемпературной пайке печатных плат. В качестве газа при этом способе используют воздух, аргон, сухой водяной пар и др. При пайке печатных плат от магистрали повышенного давления газ через нагревательное устройство и сопла рабочих головок попадает к местам пайки на плате, где предварительно нанесены припой и флюс. Термический цикл (температурный профиль) пайки регулируется по температуре теплоносителя и скорости перемещения платы и рабочей головки.
К современным печам для конвекционной пайки предъявляются очень жесткие требования, особенно при применении бессвинцовых технологий. При этом необходимы новые параметры температурных профилей: повышение максимальной температуры, уменьшение скорости изменения температуры, увеличения времени предварительного нагрева, оплавления и охлаждения. Поэтому требуется новое или модернизированное технологическое оборудование для пайки с большим количеством зон нагрева и охлаждения, удовлетворяющее всем требованиям, которые появляются в связи с изменением параметров температурных профилей.
Температура, необходимая для образования паяного соединения при использовании бессвинцовых припоев, увеличивается до 230 – 240оС. По существу, это означает общее повышение температуры в печи конвекционного оплавления на 30 – 40оС по сравнению со стандартной технологией с использованием свинцовосодержащих припоев. Принимая во внимание тот факт, что для большинства поверхностно монтируемых ЭРЭ максимально допустимые температуры при нагреве лежат в пределах от 250 до 260оС, печи оплавления будут иметь очень узкое технологическое окно процесса, и будут работать очень близко к предельным для ЭРЭ и печатных плат температурам. Требуется максимально высокая точность поддержания температуры по площади каждой зоны нагрева.
Для решения этих задач несколько иностранных фирм выпускают различные печи оплавления, которые отличаются длиной рабочих зон (от 2,5 до 6,0 м), количеством зон нагрева (от 6 до 12), количеством зон охлаждения (от 2 до 4), применением технологии направленной или контролируемой принудительной конвекции.
Схема печи оплавления для конвекционной пайки представлена на
рис. 4.9, а температурный профиль процесса пайки на рис. 4.10.
Бессвинцовая пайка. В соответствии с решением Европейского Союза с 1 июля 2006 года вся поставляемая на европейский рынок электроника (за исключением изделий для военной и медицинской техники) должна будет производиться по бессвинцовой технологии.
Российские предприятия не намерены переходить полностью на бессвинцовую технологию, но при этом вынуждены использовать ЭРЭ с покрытиями для бессвинцовой пайки. Таким образом, возникает проблема использования смешанных технологий: пайка ЭРЭ с покрытиями для бессвинцовой пайки свинецсодержащими припоями (ПОС-61).
Рис. 4.9. Схема печи для конвекционной пайки
Бессвинцовые технологии отличаются значительным повышением температуры пайки с 230оС для ПОС-61 (температура плавления 183оС) до 265-270оС для самого легкоплавкого, общепризнанного бессвинцового припоя Sn3Ag0,7Cu (температура плавления 217оС). Такая температурная нагрузка требует не только смены припоев, но и смены флюсов, базовых материалов печатных плат, обновления технологического оборудования, пересмотра удельных энергозатрат. Это приводит к использованию более дорогих термоустойчивых материалов, перестройке технологий, увеличению затрат (рис.4.11).
Рис. 4.10. Температурный профиль конвекционной печи
Вопрос обеспечения надежности паяных соединений является важнейшим. Исследования показали, что основным фактором, определяющим надежность паяных соединений, является усталостная прочность, которая зависит от температуры эксплуатации изделий и величины механических нагрузок. Бессвинцовые припои более надежны при высокой температуре эксплуатации, а оловянно-свинцовые при более низкой (например, комнатной).
