Учебник по Технологии

Паяные электрические соединения очень широко применяют при монтаже электронной аппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления, универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта. Однако этому методу присущи и существенные недостатки: высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ.

Трудоемкость процессов пайки в производстве РЭС составляет 15–20 % общей трудоемкости. Прогрессирующее усложнение аппаратуры, появление и применение новых функциональных узлов и элементов повышают требования надежности паяных соединений, управляемости и производительности технологических процессов пайки. Микроминиатюризация компонентов РЭС приводит к увеличению плотности паяных соединений с 10–15 ( многослойная печатная плата) до 40–50 паек на см2. Исследование и разработка технологий контактных соединений приобретают особую важность, поскольку 50–80 % всех отказов РЭС происходит из-за наличия дефектов в монтажных соединениях.

Необходимо шире внедрять малооперационные, малоотходные и безотходные ТП, обеспечивающие высокое качество изделий. Основной тенденцией развития ТП пайки является широкое применение групповых методов, использующих современное высокопроизводительное технологическое оборудование, позволяющее механизировать и автоматизировать процессы пайки, управлять качеством паяных соединений.

Структура паяного соединения включает следующие основные элементы: зону сплавления, диффузионные зоны, прикристаллизованные слои и основной металл. В зависимости от соотношения физико-химических свойств основного металла и припоя, а также режима и условий процесса пайки различают следующие виды спаев: бездиффузионный, раствородиффузионный, контактнореакционный.

Для бездиффузионного спая характерно короткое время контакта расплава с основным металлом, когда процессы гетерогенной диффузии на межфазной границе не развиваются. Спай, возникающий в условиях протекания раствородиффузионных процессов в зоне контакта расплава и основного метала, называется раствородиффузионным. Он может быть образован металлами с неограниченной и ограниченной растворимостью, дающими эвтектические смеси и химические соединения.

290

Контактно-реакционный спай сопровождается образованием сплава переменного состава на границе с основным металлом, а также прикристаллизованных спаев в процессе кристаллизации.

Пайка осуществляется при температурах ниже точек плавления соединяемых материалов и требует выполнения комплекса фи- зико-химических и технологических условий:

∙подготовка поверхности деталей;

∙обезжиривание паяемых поверхностей;

∙удаление окисных пленок;

∙активация паяемых материалов и припоя;

∙смачивание паяемых поверхностей расплавом припоя;

∙взаимодействие на границе «материал – жидкий припой»;

∙кристаллизация жидкой металлической прослойки.

Подготовка паяемых поверхностей металлических деталей, не имеющих покрытий, заключается в очистке их от загрязнений, консервирующей смазки, краски, окалины, следов коррозии и выполняется с применением металлических щеток, галтовки, гидропескоструйной обработки.

Большинство деталей и компонентов РЭС имеет гальваническое покрытие на паяемых поверхностях: золочение, серебрение, покрытия сплавами олово-висмут, олово-свинец, олово-никель, которые защищают поверхности от окисления и облегчают осуществление процесса пайки. Вследствие хранения и естественного старения свойства гальванических покрытий, особенно олово-свинец, олово-висмут и других, ухудшаются, что вызывает трудности при выполнении пайки. Поэтому перед сборкой элементов необходим входной контроль на паяемость выводов компонентов РЭС. Паяемость характеризует возможность образования спая между паяемым материалом и припоем, т.е. способность паяемого материала смачиваться припоем, вступать с ним в физико-химическое взаимодействие и образовывать надежное паяное соединение. Паяемость определяется критериями смачивания и растекания припоя, которые будут рассмотрены ниже. Улучшению способности к пайке обеспечивают такие технологические приемы, как очистка от механических загрязнений (краски, лаков) и удаление жировых и окисных пленок.

Обезжиривание паяемых поверхностей производится с помощью органических или неорганических растворителей. Обезжири-

291

вание выводов компонентов РЭС с гальваническими покрытиями ведут окунанием, протиркой, струйным методом, промывкой в ультразвуковых ваннах, используя спирто-бензиновую или спиртофреоновую смеси, уаит-спирит, трихлорэтилен. Для обезжиривания деталей из стали, меди, медных сплавов используют щелочные растворы (10 %-й NaОН) с добавками поверхностно-активных веществ ОП-7,ОП-10 при температуре 343–353 К. После выдержки в ванне в течение 1–30 мин детали тщательно промывают горячей и холодной водой.

Удаление окисных пленок с поверхности металлов перед пайкой производится химическим или электрохимическим способом. При химическом травлении в растворах кислот происходят их взаимодействие с окислами и образование растворимых соединений. При электрохимической обработке деталей на катоде, дополнительно к описанному, происходит восстановление металла выделяющимся водородом. Однако в процессе пайки при нагреве деталей происходят их интенсивное взаимодействие с кислородом воздуха и образование окисных пленок.

Для защиты соединяемых поверхностей и припоя от окисления и удаления образовавшихся при нагреве окисных пленок применяют флюсы, защитные среды, самофлюсующиеся припои. Флюсующее действие специальных растворов или паст проявляется в химическом взаимодействии с окисной пленкой, в результате чего происходит отрыв ее от поверхности металла, растворение во флюсе или перевод в шлам. Необходимо, чтобы флюс имел достаточную жидкотекучесть, не изменяя своего состава, легко удалялся после пайки и не оказывал коррозирующего воздействия на паяемый металл.

Применяемые в технологии РЭС флюсы подразделяются на следующие группы:

∙смолосодержащие;

∙смолосодержащие активированные;

∙активные (кислотные);

∙водорастворимые.

Наиболее распространенным представителем смолосодержащего флюса является спирто-канифольный флюс типа ФКСп, содержащий 10–30 % канифоли, растворенной в этиловом спирте. В составе канифоли содержатся абиентиновая кислота С20Н30О2 и другие органические кислоты, растворяющие при температуре

292

500–573 К окислы меди и некоторых других металлов. Флюс характеризуется низкой активностью (1,0 на меди и 0,8 на никеле) и отсутствием коррозионного воздействия.

Всмолосодержащие активированные флюсы входят канифоль

икислотный активатор, что повышает их активность до 1,5 единиц, а также несколько усиливает коррозийное воздействие. Поэтому наряду с кислотным активатором (соляно-кислыми анилином, гидразином, кислотой салициловой) во флюсы вводят амины: триэтаноламин и другие, компенсирующие коррозийное действие активаторов. При нагреве активаторы выделяют хлористый водород или кислоту, которые взаимодействуют с окислами основного металла

иприпоя с образованием легкорастворимых во флюсе хлоридов:

МеО + 2HCl = MeCl2 + Н2O

Остатки активированных флюсов после пайки удаляются тщательной промывкой в спирто-бензиновой или спирто-фреоновой смеси. Активные – это флюсы на основе водных растворов солей, например, хлористого цинка или кислот, характеризующиеся высокой активностью и сильным коррозийным воздействием неудаленных остатков, поэтому при пайке РЭС не применяются. Более перспективны для групповых методов пайки водорастворимые флюсы, представляющие спирто-глицериновые смеси с добавками кислотных активаторов, легко удаляющихся после пайки промывкой в горячей проточной воде.

Активация паяемых материалов и припоя необходима для перехода припоя в жидкое состояние, смачивания и растекания его по паяемым поверхностям, взаимодействия припоя с паяемым материалом и сопровождается переносом энергии в форме теплоты. Нагрев материалов и припоя может осуществляться различными источниками энергии, которые определяют способ пайки. Способы нагрева при пайке приведены на рис. 58.

Нагрев паяемых деталей электропаяльником требует тщательного контроля за его термическими характеристиками: температурой паяльного жала, мощностью нагревателя и т.д. Поскольку они наряду с теплоемкостью влияют на скорость восстановления температуры рабочего конца жала, которая задается на 50–100 К выше температуры ликвидуса припоя. Рабочий конец жала должен быть запилен, зачищен и облужен. В процессе пайки происходит эрозия жала вследствие растворения материала паяльного жала – меди в припое. После 700–1000 паек жало теряет форму и нуждается в за-

293

точке. Стойкость жала паяльника увеличивают путем нанесения гальванического никелевого покрытия толщиной до 100 мкм либо применением порошковых сплавов медь-вольфрам в качестве материала жала.

СПОСОБЫ НАГРЕВА

Паяльником

Погружением

Газоплазменный

Э/м излучением

Прочие

Электрическим

С дозированной подачей припоя

С косвенным нагревом

В ванну с расплавленным припоем

В ванну припоя

В ванну с теплоносителем

Горелками

Горячим газом

Токами высокой частоты

Инфракрасным излучением

Лазерным лучом

Плазмой тлеющего разряда

Электросопротивлением

Рис. 58. Способы нагрева при пайке

Соединение пайкой может классифицироваться по способам нагрева, обеспечению необходимой окружающей среды, способам введения припоя, температуре плавления припоя или его твердости, материалам соединяемых деталей.

Название паек определяется инструментом (оборудованием) или средой, нагревающих место соединения.

Независимо от способа нагрева пайка может производиться в обычной окружающей атмосфере или в специально созданной среде. Поэтому различают способы пайки и по характеру окружающей среды: в вакууме; в среде нейтральных газов; в восстановительной среде.

Стабилизацию температуры рабочего конца жала осуществляют путем закрепления датчика температуры (обычно термопары) в паяльном жале на расстоянии до 30 мм от рабочего конца и ис-

294

пользования электронного регулятора. Технические характеристики современных паяльников обеспечивают поддержание температуры рабочего конца паяльного жала на заданном уровне с точностью ±20 %. Для процессов групповой пайки более перспективны бесконтактные способы нагрева: токами BЧ, инфракрасным излучением, лазерным лучом. Индуцированные в металле детали токи ВЧ (150–1000 кГц) протекают главным образом по поверхности, поэтому выделяемая тепловая энергия локализуется в поверхностном слое, толщина которого является глубиной проникновения тока δ:

δ =	1			ρ	,	(36)
	2π
				µ f
где f – частота электромагнитных колебаний; ρ –						удельное электри-
ческое сопротивление металла; µ –			магнитная проницаемость.

Инфракрасное (ИК) излучение с длинами электромагнитных волн 0,8×10−3 – 0,8 мм применяется при пайке в любых условиях: на вoздухе, в контролируемых атмосферах, в вакууме; характеризуется точной регулировкой времени и температуры нагрева. В соответствии с законом Стефана-Больцмана плотность полусферического интегрального излучения Е определяется как

	T	4
E = eC0			,	(37)
100
где ε – интегральная степень черноты тела; С0 –				коэффициент излу-
чения абсолютно черного тела – 5,67	Вт/м2К4; Т –			температура тела.

Падающее на металлическую поверхность ИК-излучение в основном отражается от его поверхности. С увеличением электропроводности металлов их отражательная способность увеличивается. Лучшими отражателями являются серебро, медь, алюминий, которые используются для изготовления рефлекторов.

В качестве источника ИК-излучения используют галоген-

ные кварцевые лампы	мощностью	100–650 Вт	для	точечных
и 1000–5000 Вт для	полосковых	излучателей.	В	установках

ИК-нагрева применяется оптическая фокусировка излучения ламп или диффузное несфокусированное излучение (рис. 59).

295

E

)

1,0

0,5

X

Х

а)

б)

в)

Рис. 59. Способы фокусировки ИК-излучения:

а − оптическая; б − оптическая локальная; в − диффузионная

Первой стадией физико-химического взаимодействия расплава припоя с паяемым материалом является смачивание, в результате которого две свободные поверхности заменяются одной границей фаз между паяемым материалом и расплавом припоя с более низкой свободной поверхностной энергией системы. Для осуществления смачивания работа сил адгезии расплава к твердой поверхности Wa должна быть больше работы сил когезии, определяемой силами сцепления частиц припоя Wk:

W −	1	W > 0 .	(38)
a	2	k

В результате смачивания припой растекается по поверхности паяемого материала до установления равновесия выражаемого соотношением

s1,3 = s2,3 + s1,2 ×cos q ,

(39)

где σ1,3, σ1,2, σ2,3 – поверхностные натяжения на границах: твердое

тело-газ, жидкость – твердое тело,	жидкость-газ соответственно;
θ – краевой угол смачивания (рис.	60). Краевой угол смачивания

характеризует смачивающую способность припоя и применяется в качестве одного из критериев паяемости. Паяемость металла или покрытия считается плохой, если θ > 50°, удовлетворительной –

20° < θ < 50°, хорошей – θ ≤ 10–20°, отличной, если θ = 1–10°.

296

		σ		2
		1,2
σ1, 3
	θ					σ2, 3
1,3
					2,3

1

2

3

Рис. 60. Схема равновесия сил поверхностного натяжения капли припоя на поверхности твердого тела:

1 – газ; 2 – расплав припоя; 3 – твердое тело

Растекание припоя по поверхности основного металла характеризуется коэффициентом растекания K:

K = Wa −Wk = σ1,2 (cos θ −1) .

(40)

Припой, растекаясь по паяемой поверхности, заполняет зазоры между деталями. Высота поднятия припоя за счет капиллярных сил определяется соотношением

2σ1,2 cos θ
h = rg (ρп − ρф ) ,	(41)

где r – радиус капилляра; ρп, ρф – плотности припоя и флюса соответственно; g – ускорение свободного падения (рис. 61).

1 R

θ

hh

σ1, 2

1,2

2

Рис. 61. Подъем припоя за счет капиллярных сил:

1 – газ; 2 – расплав припоя

Взаимодействие основного металла с расплавленным припоем заключается в растворении металла в припое, протекании процессов диффузии. С повышением температуры увеличивается растворимость, причем возрастает избирательное растворение элементов,

297

входящих в состав основного металла, наблюдается значительное проникновение припоя по границам зерен основного металла, увеличиваются размеры диффузионной зоны. Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить прочность соединений, однако образование интерметаллидных соединений в спае при глубокой взаимной диффузии компонентов вызывает снижение прочности соединений. Максимальная прочность паяных соединений припоем ПОС61 обеспечивается при ширине диффузионной зоны порядка 1,0 мкм.

Заканчивается образование паяного соединения кристаллизацией расплава, которая может происходить как путем достройки отдельных зерен основного металла, так и путем образования новых зерен. На процесс кристаллизации значительное влияние оказывает величина зазора, так как она определяет температурный градиент расплава, а также величину и протяженность области концентрационного переохлаждения. Качество паяных соединений оценивают путем визуального осмотра с помощью бинокулярного микроскопа типа МБС-2, оценкой структуры припоя по специально приготовленным шлифам, оценкой усилия разрыва, вибропрочности и надежности соединений. При визуальном осмотре выявляются такие дефекты, как раковины, трещины, недопаи и перегревы и т.д. Предел прочности на растяжение соединений, выполненных при оптимальных условиях припоем ПОС61, составляет порядка 38 МПа, на срез – 34 МПа.

Рассмотрим более подробно классификацию способов нагрева

(см. рис. 58).

Пайка паяльником

Способ пайки паяльником широко используется в производстве радиотехнических изделий, особенно при схемно-монтажных работах.

Прежде всего следует указать, что способ пайки паяльником может быть использован как для последовательной пайки шва, так

идля одновременной пайки всего соединения.

Всвязи с тем, что паяльник не может быть нагрет до высокой температуры (его медный стержень не выдерживает больших температур, а использование других металлов нецелесообразно прежде всего потому, что они обладают меньшей теплоемкостью и теплопроводностью, чем медь), его можно применять только при пайке легкоплавкими припоями.

298

Количество тепла, которое в короткое время может быть передано от стержня паяльника к месту соединения, зависит от его массы (и теплоемкости). Вес ручного паяльника ограничен, так как при большом весе им трудно пользоваться.

Количество тепла, необходимое для прогрева места соединения, возрастает с увеличением веса деталей. При большом паяльнике время пайки может быть уменьшено, а производительность увеличена, но только до известных пределов, когда уменьшение производительности за счет большого веса паяльника не сводит на нет его преимущество. Для ручной пайки вес паяльника не превышает

0,5 кг.

Одна из важнейших особенностей пайки паяльником состоит в том, что при этом способе возможно производить пайку таких соединений, которые другими способами осуществить трудно. Для различных конструкций изделия, в котором применяются паяные соединения, можно воспользоваться соответствующими формами стержней паяльников. При конструировании радиотехнических изделий не следует злоупотреблять этой возможностью, так как труднодоступная пайка не всегда может быть выполнена достаточно качественно, а контроль ее будет затруднен.

Пайка паяльником используется и для соединения деталей малых размеров, когда по конструктивным соображениям нельзя воспользоваться другими методами.

В процессе пайки паяльником конец его стержня должен скошенным концом касаться места соединения. Во многих случаях стержень паяльника приходится перемещать с некоторым небольшим давлением по соединяемым элементам деталей. Поэтому последние должны быть предварительно хорошо соединены между собой, а соседние детали и узлы не должны мешать подводу тепла от стержня паяльника к месту соединения. В производстве радиотехнических изделий, как правило, используются электропаяльники. Существуют и другие типы паяльников, например с газовым или бензиновым подогревом, обычно применяемых для пайки относительно массивных деталей. При изготовлении радиотехнических изделий детали, соединяемые пайкой, в большинстве случаев имеют малые размеры, поэтому такие паяльники почти не используются.

Электропаяльники, применяемые в радиотехническом производстве, рассчитываются на мощность 20–200 Вт при напряжении

299