Контроль качества паяных соединений.

 

Процессы контроля при монтаже ЭА включают:

– проверку соединяемых ма­териалов на паяемость,

– контроль тех­нологических режимов пайки,

– оценку качества соединений.

Паяемость характеризует способ­ность паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовы­вать надежное паяное соединение. Пая­емость зависит от физико-химической природы металлов, способа и режимов пайки, флюсующих сред, условий под­готовки паяемых поверхностей.

Поскольку для образования спая не­обходимо и достаточно смачивания по­верхности основного металла расплавом припоя, это гарантирует с физической стороны процесса паяемость, а с техно­логической условие соблюдения режимов процесса пайки. Паяемость метал­лов оценивают несколькими методами:

– замером площади растекания припоя и определением коэффициента астекания Кр:

где S₀, S_p – площади дозы припоя до и после растекания соответст­венно;

– определением Кр по высоте капли растекшегося припоя:

 

гдеH₀ , H_р – высота капли припоя до и после растекания (рис. 3.27);

– краевым углом смачивания θ;

– по высоте или времени подъема припоя в капиллярном зазоре;

– по усилию, действующему на обра­зец металла, погружаемого в припой.

 

Рис. 3.27. Схема растекания капли припоя.

 

Высота капли до растекания нахо­дится из условия несмачивания по­верхности:

 

 

где ρ – плотность припоя;

g – уско­рение свободного падения.

Для измерения высоты капли припоя после растекания разработан прибор, в основу которого положен принцип бесконтактного измерения высоты ка­пли с помощью индуктивного преоб­разователя (рис. 3.28).

 

 

Рис. 3.28. Схема прибора для измерения высоты капли растекшегося припоя

 

Он содержит ин­дуктивный преобразователь 1, высо­кочастотный генератор 2, измеритель частоты 3 и регистрирующий прибор 4. В осевом отверстии катушки индук­тивного преобразователя жестко за­креплена игла 5 из материала, смачи­ваемого припоем 6. Игла устанавлива­ется на исследуемую поверхность образца 7, длина иглы должна превы­шать высоту капли припоя при полной несмачиваемости исследуемого мате­риала. Для расплавления навески при­поя используют нагреватель 8.

Перед началом испытаний в центре образца размещают навеску припоя дозированной массы 250мг и дозиро­ванный объем флюса (0,01 мл). Вклю­чают нагреватель и уста-навливают на заданном уровне температуру испыта­ний. С помощью секундомера фикси­руют начало и конец растекания кап­ли припоя, определяют частоту по по­казаниям прибора и, применяя по­строенную для данного материала но­мограмму, находят высоту капли рас­текшегося припоя, а затем коэффици­ент растекания припоя.

По критерию паяемости все много­образие современных паяемых мате­риалов различной физико-химической природы можно классифицировать на следующие основные группы: легкопаяемые, среднепаяемые, труднопаяемые и непаяемые (табл. 3.8).

 

 

Табл. 3.8. Классификация материалов по паяемости.

Группа материалов	Материалы	Кр	θ , град
Легкопаяемые Среднепаяемые Труднопаяемые   Непаяемые	Олово, золото, серебро, медь и ее сплавы Бронза, латунь, никель, цинк, стали малоуглеродистые Нержавеющая сталь, магний, алюминий, титан, молибден, тантал Керамика, стеклокерамика, ферриты, полупроводники	0,97 – 0,80 0,82 – 0,60 0,60 – 0,50   –	0 – 12 5 –20 20 – 40   120 – 160

 

Контроль качества предусматривает следующие виды оценки паяных со­единений:

– по внешнему виду с использованием эталона паяного соединения при 100 %-м контроле;

– прочности соединений на отрывпри выборочном контроле на об­разцах-свидетелях;

– переходного сопротивления контакта выборочно для различных про­водников;

– надежности соединения путем опре­деления интенсивности отказов в те­чение заданного срока испытаний.

 

Определение качества паяных со­единений по внешнему виду прово­дится путем их осмотра с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9 при увеличении в 8–56 раз. При этом соединения с гладкой блестящей по­верхностью без трещин и следов пере­грева, с полностью заполненным за­зором между паяемыми деталями, при угле смачивания 5–10° считаются высококачественными. Одновременно от­мечаются такие дефекты, как холод­ный непрогретый слой, избыток или недостаток припоя, короткозамыкающее паяное соединение.

Критериями оценки прочности пая­ных соединений являются: усилие от­рыва, устойчивость соединений при воздействии знакопеременных нагру­зок и вибропрочность. Оценку проч­ности на отрыв дают по среднему зна­чению усилия отрыва, которое для паяного соединения меди припоем ПОС61 при оптимальных режимах со­ставляет не менее 30 МПа. Устойчи­вость паяного соединения к воздейст­вию знакопеременных нагрузок харак­теризуют средним числом циклов кручения на угол φ = ±0,75 град/мм, средним числом цикла изгиба вывода на угол α = ±10° относительно платы с частотой 50–100 циклов в минуту при одновременном воздействии осевой на­грузки Р, равной 0,1–0,5, усилия ста­тического разрыва припоя (рис. 3.29).

 

 

Рис, 3.29. Схема приложения знакопеременных нагрузок:

1 - основа; 2 - припой; 3 - вывод

 

Вибропрочность оценивают интер­валом времени, в течение которого паяные соединения противостоят раз­рушению под действием вибрации с частотой 50–2000 Гц и ускорения, со­ответствующего максимальному уско­рению при нормальной эксплуатации аппаратуры.

Для изучения структуры припоя при­готавливают металлографические шлифы, которые исследуют с помощью микроскопов МИМ-7, ММР-2Р. Во время испытаний обращают внимание на то, что надежному паяному соеди­нению соответствует мелкокристалли­ческая плотная структура припоя, что свидетельствует об оптимальных ре­жимах процесса пайки и охлаждения. Путем химического травления мик­рошлифов паяных соединений выяв­ляют наличие диффузионной зоны между припоем и основным метал­лом, в зависимости от ее ширины су­дят о качестве соединения. При на­греве происходит глубокая взаимная диффузия основного металла и при­поя, частичное растворение (эрозия) металла в припое, что приводит к об­разованию в нем интерметаллидов, снижающих прочность соединения.

При недостаточном нагреве глубина диффузии чрезвычайно мала, проч­ность чисто адгезионного спая не обеспечивает требуемой надежности соединения. Исследования прочности на разрыв паяных соединений выво­дов из меди припоем ПОС 61 показы­вают, что достаточная прочность обес­печивается при ширине диффузионной зоны 0,8–1,2 мкм. Переходное сопро­тивление паяного соединения рассчи­тывается по падению напряжения ме­жду двумя точками, расположенными на расстояниях х и у от границы раз­дела соединяемых металлов, по урав­нению:

 

где U – измеренное напряжение;

I – сила тока, проходящего через соеди­нение;

R_x; R_y – сопротивления участ­ков х и у (рис.7.30). Измерения про­водят при постоянном токе, так как при переменном токе возникает по­верхностный эффект, увеличивающий погрешность. Переходное сопротив­ление надежного паяного соединения не превышает 2–3 мОм.

Рис.3.30. Схема измерения переходного сопротивления.

 

Интенсивность отказов позволяет количественно оценить надежность паяных соединений и показывает, ка­кая доля паяных соединений, рабо­тающих в момент времени t, выходит из строя в единицу времени после момента t:

 

 

где – плотность вероятности вре­мени безотказной работы;

– ве­роятность безотказной работы.

За критерий отказа при испытаниях на надежность принимается полный обрыв соединения или увеличение па­дения напряжения на нем на один порядок. Примерный временной гра­фик проведения испытаний паяных соединений на надежность (рис.3.31) включает термоциклирование от +80 до -60 °С с длительностью цикла1 ч, отстой в нормаль-

 

 

Рис. 3.31. График испытаний на надежность:

1 - термоциклироаание; 2 - нормальные условия;

3 - на­грев до 80 °С; 4 - тропическая влажность.

ных условиях, нагрев до 80 °С и выдержку в атмосфере тро­пической влажности (98 % при 40 °С). Надежными считаются паяные соеди­нения, для которых суммарная интен­сивность отказов < 10 ^-8 ч ^-1.

Дефекты в паяных соединениях (по­ры, раковины, трещины) могут быть обнаружены с помощью телевизионно-рентгеновского микроскопа МТР-3 либо ультразвуковым дефектоскопом. Ультразвуковой контроль основан на изменении структуры акустического по­ля частотой 0,5–25 МГц при наличии в паяном соединении дефектов, отра­жающих УЗ-колебания. Универсальные УЗ-дефектоскопы типа УДМ-1М по­зволяют обнаруживать и определять раковины, трещины, поры, расслое­ние и другие дефекты в паяных со­единениях.

Определенная часть дефектов, ино­гда до 60 % общего числа, может быть выявлена методом модуляции элек­трического сигнала. Он основан на свойстве дефектов паяных соединений служить модуляторами сигнала. Кон­трольная аппаратура включает генера­тор с регулируемым переменным на­пряжением частотой 10 – 100 Гц, блок индикатора, состоящий из двухкаскадного предварительного усилителя, детектора, указателя уровня, фильтра-пробки, настроенного на фиксиро­ванную частоту (например, 3,2 кГц), двухкаскадного усилителя, осциллогра­фа или громкоговорителя.

После настройки генератора на частоту фильтра-пробки контролируемую схему подвергают вибрациям, при этом любое изменение омического сопротив­ления соединения вызывает по­явление электрического сигнала другой частоты, отличной от частоты генератора.

Одним из перспективных ме­тодов объективного контроля паяных соединений является оценка распределения темпера­турных полей в электронном модуле. При его использовании кон­тролируемую плату подключают к ис­точнику питания и генератору им­пульсов фиксированной частоты. По­сле установления теплового равнове­сия плату со стороны паек сканируют инфракрасным датчиком, соединен­ным с тепловизором, который позво­ляет воспроизводить распределение температур по поверхности исследуе­мого изделия. Прибор обнаруживает зоны локальных перегревов, соответ­ствующие дефектным паяным соеди­нениям, которые имеют температуру на 1–5°С выше номинальной. В ка­честве датчика используют фотоболо­метры и другие ИК-детекторы. Тепло­визор ТВ-03 (СССР) имеет темпера­турное разрешение 0,2°С в диапазоне измеряемых температур 25 – 300 °С.

Повышение качества контроля пая­ных соединений достигается путем при­менения лазерной системы контроля дефектов (рис. 3.32).

 

 

Рис.3.32. Схема лазерного контроля паяных соединений.

 

С помощью ге­лий-неонового лазера устанавливают точное местоположение контролируе­мого элемента 3 в прямоугольной сис­теме координат передвижного столика 4. Контролирующие лучи генерирует мощный неодимовый лазер, который работает в области инфракрасного излучения. Длительность процесса тестирования задает микропроцессор, управляя шторкой 1. Если пайка каче­ственная, ее поверхность блестящая и однородная, то луч света, управляемый системой зеркал 2, полностью отражается.

Если структура пайки крупнокристаллическая, то она начи­нает поглощать энергию луча, нагре­вается и сама является вторичным ис­точником инфракрасного излучения. Собранное в линзах 5 и отраженное зеркалом излучение воспринимается ИК-датчиком 6, сигнал с которого анализируется с помощью микропро­цессора и подается на осциллограф в виде термограммы. С помощью лазер­ного контроля обнаруживаются такие дефектные соединения, как раковины, внутренние включения, поскольку они имеют меньшую массу и нагре­ваются по этой причине быстрее, чем сплошные паяные соединения. Разо­грев паяного соединения с помощью Nd-лазера выходной мощностью 6 Вт происходит за 50 мс. На установке La­ser Inspect фирмы Vanzetti Systems (США) удается контролировать около десяти паяных соединений в секунду, которые расположены на расстоянии 1,25 мм друг от друга.

Если в дополнение к лазерной установке предусмотреть ультразвуко­вой контроль, то можно определить и те дефекты, которые не могут быть обнаружены с помощью лазера. Автоматизированный контроль паяных со­единений с комбинированной лазерно-ультразвуковой системой позволя­ет увеличить производительность кон­троля паяных соединений печатных плат, для чего микропроцессору зада­ется программа расположения соеди­нений на плате.