2.5.2. Растворение покрытий
Расплавленный припой активно и быстро растворяет покрытия спаиваемых элементов (рис. 2.20). В холодном состоянии этот процесс с образованием интерметаллидов тоже идет, но медленно (рис. 2.21). Все это имеет такие последствия:
• припой загрязняется примесями с соответствующими плохими последствиями (см. подробно в главе 3);
•
в
ряде случаев пайка отделяется от
поверхности (разрушается), например,
когда в ней растворяется серебро на
керамической поверхности;
• растворы металлических примесей в припое образуют неплавящиеся частицы интерметаллоидов, которые плавают в объеме припоя и могут внедряться в паяные соединения, ослабляя их прочность;
• наконец, с ростом толщины интерметаллического слоя прочность паяных соединений заметно падает (рис. 2.22).
Рис. 2.20. Металлы в припое
Рис. 2.21. Скорость растворения различных покрытий в расплавленном припое ПОС61
2.5.3. Отсутствие смачивания
Отсутствие способности смачиваться припоем проявляется подобно воде на жирной поверхности. Поверхность первоначально покрывается припоем, но затем ретрагирует, вызывая стягивание припоя в отдельные капли и гребни. Уменьшение способности смачиваться представляет проблему для множества оснований и подвергает риску качество паяных соединений, сокращая размеры галтелей припоя.
Рис. 2.22. Изменение прочности паяного соединения на отрыв с ростом слоя интерметаллоидов
Причины уменьшения способности поверхности смачиваться состоят в: 1) плохой и неравномерной паяемости спаиваемых деталей; 2) ухудшении работы флюса; 3) термодеструкции компонентов пайки; 4) неправильно подобранных термопрофиле и среде пайки; 5) выделении в зону пайки газов и паров воды.
Отсутствие смачивания проявляется в отсутствии или недостаточности покрытия припоем контактной площадки или вывода. С части спаиваемых поверхностей припой скатывается. Это так или иначе связано с большим краевым углом смачивания между припоем и спаиваемыми поверхностями.
Неудовлетворительная смачиваемость металлизации может быть объяснена наличием загрязнений или оксидной пленки или свойствами металлизации контактных площадок или выводов. Например, наличие фосфора на поверхности никеля под золотом, окисление никеля под тонким слоем иммерсионного золота, окисление медных контактных площадок, оголенные в результате обрезки кончики выводов, слишком толстый слой органического защитного покрытия (OSP) — все это может способствовать неудовлетворительному смачиванию.
Причиной плохой смачиваемости могут быть и припои. Загрязнения припоя могут привести к неудовлетворительному смачиванию, как будет показано в главе 3. Форма и размер частиц припоя связаны со скоростью их окисления. При окислении больше критического флюс не справляется с функцией раскислителя, он истощается и все это приводит к худшему смачиванию.
Время, температура и среда пайки значительно влияют на смачивание. Недостаточный прогрев паек либо из-за слишком короткого времени, либо из-за слишком низкой температуры приведет к неполному химическому взаимодействию флюса с поверхностью, а также неполному металлургическому смачиванию поверхности. Однако чрезмерный перегрев при оплавлении припоя не только послужит причиной чрезмерного окисления поверхностей контактных площадок и выводов, но также выжжет больше флюса. Оба явления приведут к неудовлетворительному смачиванию. Окисление происходит в среде, содержащей кислород (пайка в среде воздуха). Использование нейтральной среды азота при пайке приводит к существенному улучшению смачивания.
Как правило, припой легко смачивает контактные площадки, получившие горячее облуживание, например, при использовании процесса, называемого HASL (Hot Air Solder Leveler — горячее облуживание с выравниванием воздухом), так как пайка по этому покрытию сводится к слиянию расплавленного припоя из паяльной пасты с припоем из покрытия HASL. Другие финишные покрытия плат, такие как органическое защитное покрытие (OSP) или иммерсионное золото по никелю (ImmAu/Ni или, что то же самое, ENIG — Electroless Ni & Immersion Gold — химический никель под иммерсионным золотом) не обеспечивают полного смачивания, периметр контактных площадок часто не смачивается, хотя образование соответствующей галтели припоя может произойти. Меньшее растекание припоя по поверхностям с финишными покрытиями, отличными от HASL, объясняется необходимостью большей энергии и времени для химического взаимодействия компонентов пайки и образования металлургических связей припоя с этими покрытиями.
Недостаточное смачивание можно расценивать как критическое, если образованное паяное соединение не обладает достаточной прочностью связи и сопротивлением усталости. Однако, если галтель припоя имеет надлежащий краевой угол, соединение считается надежным, даже если не вся поверхность контактной площадки смочена припоем. Для компонентов с малым шагом выводов размеры отверстий в трафарете для нанесения пасты часто делают меньше размеров контактной площадки, чтобы предотвратить образование перемычек припоя между выводами. В результате припоя не хватает, чтобы покрыть всю поверхность контактных площадок, но создаются условия для образования хорошей скелетной пайки. Обычно покрытие контактной площадки припоем более чем на 90% считается приемлемым.
Уменьшение способности смачиваться может также произойти в результате газовыделения из материалов, окружающих пайку (корпусов компонентов, печатных плат, защитной маски и др.). Распад органических соединений или выделение паров воды под действием температуры пайки образуют газовую среду, пассивирующую поверхности. Водяной пар может также образовываться при использовании водорастворимых флюсов. При температурах пайки водяной пар является сильным окислителем и приводит к окислению поверхностей расплавленного припоя и границ раздела деталей с расплавленным припоем, на которых неизбежно образуются интерметаллические соединения. Как только интерметаллическое соединение оказывается незащищенным от внешней среды, оно окисляется и становится несмачиваемым. Уменьшение способности смачиваться зависит от количества выделившегося газа, состава газа и расположения места выделения газа. Чем больше его количество и чем больше водяного пара, тем интенсивнее идут процессы дезактивации поверхностей и уменьшение способности смачиваться.