Классификация методов выполнения электрических соединений

По результатам исследований 50…80% отказов в аппаратуре происходит из-за некачественных электрических соединений. Качественные характеристики соединений определяются многими факторами, но во всех случаях должны быть обеспечены:

1. Высокая надёжность и долговечность соединения.

2. Минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его стабильность при различных климатических воздействиях.

3. Максимально достижимая механическая прочность.

4. Минимальное значение основных параметров процесса контактирования (температуры, давления, длительности выдержки и т.д.).

5. Возможность соединения разнообразных сочетаний материалов и типоразмеров.

6. Стойкость к термоциклированию.

7. В зоне контакта не должно образовываться материалов вызывающих деградацию соединения.

8. Качество соединения должно контролироваться простыми и надёжными средствами.

9. Экономическая эффективность и производительность процесса.

Основные методы выполнения электрических соединений обеспечиваются на основе: пайки, сварки, соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей, соединения токопроводящими клеями.

Пайкой называется процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор расплавленного припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва.

Паяные соединения очень широко применяют при монтаже электронной аппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления, универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта.

Однако методу пайки присущи и существенные недостатки: высокая стоимость используемых цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ.

Сварка – это процесс получения неразъёмного соединения материалов под действием активирующей энергии теплового поля, деформации, ультразвуковых колебаний или их сочетаний. По сравнению с пайкой она характеризуется следующими преимуществами: более высокой механической прочностью получаемых соединений, отсутствием присадочного материала, незначительной дозированной тепловой нагрузкой, возможностью уменьшения расстояния между контактами.

К недостаткам метода следует отнести: критичность при выборе сочетаний материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования интерметаллидов, невозможность группового контактирования соединений, сложность ремонта.

Соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей, проводов или выводов, выполняются в холодном состоянии. Под действием значительных механических усилий, приложенным к этим элементам, происходит разрушение оксидных плёнок и образование надёжного вакуум-плотного соединения. Оно характеризуется высокой механической прочностью, низкой стоимостью, легко поддаётся механизации, не создаёт помех в цепях низкого напряжения.

Соединение токопроводящими клеями и пастами в отличие от пайки и сварки не вызывает изменения структуры соединяемых материалов, так как проводится при низких температурах, упрощает конструкцию соединений и применяется в тех случаях, когда другие способы невозможны: в труднодоступных местах, при ремонтных работах и т.д. Однако широкого распространения в серийном производстве метод не получил из-за невысокой проводимости, низкой термостойкости и надёжности соединений.

Сравнительная характеристика параметров электрических соединений приведена в таблице 14.1.

Таблица 14.1

 

Вид соединения	Rперех´ 10-3, Ом	P , МПа	l× 10-9, 1 / ч	RТ, град / Вт
Сварка	0,01…1	100…500	0,1…2,0	0,001
накрутка	1,0…2,0	60,0…80,0	0,2…0,5	0,0005
Пайка	2,0…3,0	10,0…40,0	1,0…10,0	0,002
Обжимка	1,0…10,0	20,0…50,0	2,0…5,0	0,0008…0,001
Соединение токопроводящими клеями	1,0….10,0 Ом×м	5,0…10,0	10,0…50,0	5,0

 

Обозначения: Р – механическая прочность; l - интенсивность отказов; R_Т – тепловое сопротивление контакта.

 

Физико-химические основы сварки

Процесс образования сварного соединения можно условно разделить на четыре стадии:

1) образование физического контакта между поверхностями материалов;

2) активизация контактных поверхностей;

3) объёмное развитие взаимодействия;

4) кристаллизация.

На первой стадии сближаются материалы на расстояние порядка 10…100 нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. Под действием этих сил в жидких фазах происходит дальнейшее самопроизвольное уменьшение расстояний между атомами и их поляризация на фазовых границах раздела с изменением орбит части внешних электронов, которые приводят к снижению потенциальной энергии атомов. При некоторой критической величине начинается перекрытие стабильных электронных оболочек и появляются силы отталкивания. Достижение минимума потенциальной энергии соответствует физической адсорбции и завершает первую стадию образования соединения.

На второй стадии происходит образование на поверхности более твёрдого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Активный центр упрощённо – это частицы со свободными валентностями, которые могут возникнуть при разрыве связей в кристалле, в местах образования дефектов. Для активизации поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного натяжения увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия. Отдельные контактные пятна начинают сливаться в более крупные очаги схватывания, происходит коллективизация валентных электронов, которая приводит к образованию металлической связи между контактирующими поверхностями.

С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает третья стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых металлов как в плоскости так и в объёме зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей между материалами

Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения является образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сваре плавлением представляет собой закристаллизовавшуюся жидкую фазу, которая может состоять из гомогенных кристаллов, твёрдого раствора замещения или внедрения, интерметаллидов, механической смеси кристаллов и примесей. Структура ядра определяет качество и надёжность соединения.

 

Методы выполнения сварных монтажных соединений

 

Ультразвуковая сварка выполняется за счёт возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний УЗ-частоты при одновременном создании определённого давления. Для УЗ-микросварки используют оборудование с частотами 22, 44, 66, 88 кГц. При УЗ-сварке температура нагрева непосредственно в зоне контакта не превышает 30…50% от температуры плавления соединяемых материалов, что позволяет использовать этот метод для соединения чувствительных к нагреву материалов.

Прочность сварного соединения в основном определяется амплитудой колебания на рабочем торце инструмента и давлением, приложенным к соединяемым деталям. При малой амплитуде в плоскости контакта происходит замедлённое образование активных центров соединения. Чрезмерное увеличение амплитуды увеличивает напряжение среза, приводящее к разрушению части узлов схватывания.

Основным элементом установок УЗ-сварки является инструмент, форма и размер рабочей части которого имеют важное значение для получения качественных соединений.

Термокомпрессионная сварка– это сварка, которая проводится при невысоких давлениях с подогревом соединяемых деталей. Достоинства: стабильность сварочного инструмента и его высокая стойкость, малая чувствительность к изменению режима, простота контроля основных параметров процесса. Недостатки: ограниченное число сочетаний свариваемых материалов (только пластичные), необходимость весьма тщательной подготовки соединяемых деталей.

При приложении температуры и давления в момент осадки в результате течения пластичного металла вдоль поверхности другого металла происходит очистка места соединения от оксидных плёнок, сближение поверхностей и образование между ними плотного контакта. После сварки за счёт развития процесса диффузии между свариваемыми материалами полученное соединение упрочняется.

Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие сжатия Р, температура нагрева инструмента или соединения Т, длительность выдержки под давлением t. Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника или максимально допустимым давлением на присоединяемую деталь. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и колеблется для различных материалов от 250 до 450^оС. Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и определяется экспериментально путём оценки прочности соединения.

Сварка давлением с косвенным нагревом в отличие от термокомпрессии проводится инструментом, который импульсно нагревается прходящим по нему током. В следствии кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта нагревается до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это позволяет приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плёнкам на керамических подложках. Высокая точность поддержания температуры и малая инерционность обеспечиваются при нагреве инструмента током с частотой следования импульсов 0,5…1,5 кГц.

Сварка расщеплённым (сдвоенным) электродом применяется в технологии электрического монтажа. Сварку осуществляют инструментом-электродом, изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токопроводящих частей, разделённых зазором 0,02…0,25 мм в зависимости от толщины или диаметра привариваемых выводов. Зазор между электродами оказывает значительное влияние на глубину проникновения тока и на термическую нагрузку печатного проводника в месте соединения с диэлектриком.

Сварку проводят одним или несколькими импульсами конденсаторного разряда с регулировкой длительности, мощности и интервалов между импульсами. Усилие прижима электродов при сварке (0,2…1,5 Н) создаётся в момент нагрева до максимальной температуры и снимается по окончания действия импульса тока.

Качество сварки сдвоенным электродом определяется сочетанием температур плавления соединяемых металлов, соотношением размеров выводов и толщины печатных проводников, термостойкостью платы. Медные печатные проводники в следствии высокой тепло- и электропроводности плохо свариваются, поэтому их предварительно покрывают электролитическим способом слоем никели или золота.

недостатками рассмотренного метода являются необходимость никелирования плат и золочение выводов ИС, точное позицирование выводов, трудность группового контактирования, более высокая стоимость по сравнения с пайкой.

Электрическое соединение методом накрутки

 

Накрутка – это процесс создания электрического соединения путём навивки под натягом определённого числа витков одножильного провода на штыревой вывод с острыми кромками. Под действием приложенного усилия происходит разрушение оксидных плёнок на соединяемых поверхностях и врезание острых граней вывода в провод. Образовавшееся газонепроницаемое соединение удерживается благодаря упругим напряжениям, возникшим в этих элементах. Концентрация напряжений в зоне контакта и среднее давление порядка 15…20 Мпа обуславливают взаимную диффузию металлов, что способствует повышению надёжности соединения.

При монтаже накруткой применяют три вида соединений: немодифицированное, модифицированное и бандажное. Модифицированное соединение от немодифицированного отличается тем, что кроме витков оголённого провода на выводе имеется 1…2 витка провода в изоляции, которая демпфирует воздействие знакопеременных нагрузок на элементы контакта и уменьшает усталостные напряжения. Это обеспечивает высокую надёжность соединений при вибрационных нагрузках. В бандажном соединении соединяемый элемент (провод, вывод, шина и пр.) располагается вдоль широкой поверхности гранёного вывода и на них накручивается несколько витков бандажной проволоки (не менее восьми).

Соединение проводящими клеями

 

Электропроводящие клеи (контактолы) применяют при создании монтажных соединений в тех случаях, когда другие методы оказываются неэффективными: в труднодоступных местах, при ремонте ПП, при низкой термостойкости компонентов.

Клеепроводящие композиции изготовляют на основе эпоксидных смол холодного и горячего отверждения. В качестве наполнителя используют мелкодисперсный порошок золота, серебра, палладия, никеля, меди, алюминия.

Свойства электропроводящих клеев зависит не только от типа наполнителя, но и от его концентрации. Необходимым условием получения максимальной электропроводности контактолов является формирование в объёме композиции из частичек наполнителя цепочных структур. Увеличение количества наполнителя увеличивает проводимость, но одновременно ухудшаются механические свойства соединения. В связи с этим разработан способ искусственной ориентации металлических частиц никеля под действием магнитного поля, что позволяет увеличить электропроводность в 5 – 10 раз при значительно меньшей концентрацией наполнителя.

 

ЛЕКЦИЯ 15

 

Физико-химические основы пайки

 

Для образования качественного паяного соединения необходимо:

1) подготовить поверхности деталей;

2) активизировать соединяемые металлы и припой;

3) обеспечить взаимодействие на границе "основной металл – жидкий припой";

4) создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.

 

Подготовка поверхности деталей

Подготовка включает удаление загрязнений органического и минерального происхождения, оксидных плёнок, а в некоторых случаях и нанесения покрытий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений.

Удаление плёнок, препятствующих смачиванию расплавленным припоем, проводят механическими или химическими способами (обезжиривание, травление). При механической очистке удаляется тонкий поверхностный слой металла при помощи режущего инструмента (резца, шлифовального круга, шабера и др.), наждачной бумаги, проволочной щётки.

Для повышения производительности при обработке протяжённых и сложно-профильных изделий (например ПП) применяют гидроабразивную обработку или очистку вращающимися щётками из синтетического материала. Образование шероховатостей поверхности после механической обработки способствует растеканию флюса и припоя, т.к. риски являются мельчайшими капиллярами.

Обезжиривание изделий производят в растворах щелочей или в органических растворителях (ацетоне, бензине, спирте, четырёххлористым углероде, фреоне, спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях) путём протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой ванне.

Современное оборудование для очистки имеет блочно-модульную конструкцию с программным управлением. Обычно оно снабжается устройствами для регенерации моющих средств и сушки изделий. Эффективным методом сушки является центрифугирование.

удаление оксидных плёнок осуществляют травлением в растворах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной оксидной плёнки и требуемой скоростью травления. После операции травления детали тщательно промывают с применением нейтрализующих растворов.

Очищенные детали необходимо немедленно направлять на сборку и пайку, т.к. сроки хранения паяемости для меди 3…5 суток, для серебра 10…15 суток. В ряде случаев перед пайкой на поверхность соединяемых деталей наносят покрытия, которые улучшают процесс смачивания припоем и поддерживают хорошую способность к пайке в течении длительного межоперационного хранения. В качестве металла для таких покрытий используют: серебро, золото, палладий и их сплавы, которые наносят гальваническим или термовакуумным осаждением, а также горячей металлизацией.

На алюминий и его сплавы, технологические покрытия наносят с применением ультразвуковых колебаний. Для этого используются ультразвуковые паяльники, ультразвуковые ванны. Кавитационные явления, возникающие в расплаве, приводят к разрушению оксидной плёнки на поверхности металла и смачиванию его припоем.

Увеличение срока сохранения паяемости деталей, подготовленных к пайке, достигается также путём нанесения специальных консервационных покрытий, большинство из которых не удаляется при выполнении монтажных операций, так как их состав согласуется с составом применяемого флюса. Такие покрытия разделяются на два вида:

1) на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт);

2) консервационные, представляющие собой плёнку щелочных металлов.

Большинство консервационных покрытий вытесняют влагу и их можно наносить на влажные, не успевшие окислится детали. Образовавшаяся после испарения растворителя плёнка надёжно защищает поверхности металлов от проникновения влаги в течение 5…6 месяцев хранения.

 

Активизация соединяемых металлов и припоя

Нагрев основного металла и расплавление припоя приводят к тому, что их активность снижается в следствие взаимодействия с кислородом воздуха и образования оксидной плёнки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную плёнку и защитить поверхности деталей от окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия (механические вибрации, ультразвуковые колебания и т.д.).

Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как её можно осуществлять в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемой поверхности и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляется оксидная плёнка. Основными причинами удаления оксидов металлов являются:

1) химическое взаимодействие между флюсом и оксидной плёнкой с образованием растворимого во флюсе соединения;

2) химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит отрыв оксидной плёнки и перевод её в шлак;

3) адсорбционное понижение прочности оксидной плёнки и её диспергирование;

4) растворение оксидной плёнки основного металла и припоя во флюсе.

Применение флюсов нередко приводит к тому, что флюсовые остатки и продукты взаимодействия их с оксидными плёнками образуют в паяном шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность соединения. Этого можно избежать, если перейти на бесфлюсовую пайку в газовых средах или в вакууме.

Газовые среды, применяемые при пайке, разделяются на нейтральные и активные. Типичными представителями нейтральных сред являются: азот, аргон, гелий, криптон. Активные газовые среды: водород, оксид углерода, азотно-водородная смесь и др. Они не только защищают от окисления детали и припой, но так же удаляют с их поверхности уже образовавшиеся оксидные плёнки.

Однако газовые среды могут вступать во взаимодействие с паяемым металлом и припоем, образуя нежелательные продукты реакции (гидриды, нитриды, карбиды), которые ухудшают физико-химические свойства соединений.

Сущность физико-химических методов удаления оксидных плёнок с поверхности паяемых металлов заключается в их разрушении под слоем жидкого припоя с помощью ультразвука.

В самофлюсующихся припоях высокой активностью обладают не только сами флюсующиеся компоненты, но и их оксиды. По своему составу и характеру действия самофлюсующиеся припои можно разделить на четыре группы:

1) припои со щелочными металлами (Li, K);

2) с бором;

3) с фосфором;

4) с несколькими компонентами.

Взаимодействие на границе основной метал - жидкий припой

 

От того как хорошо расплавленный металл смачивает поверхность основного металла, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства паяных соединений.

Следующей стадией взаимодействия является растекание припоя по плоской поверхности, которая продолжается до тех пор, пока не установится равновесие векторов сил поверхностного натяжения s в точке на границе трёх фаз (рис. 1) в соответствие с уравнением

 

 

 

Рис.1.

1 – основной металл; 2 – жидкий припой; 3 – пары флюса.

 

 

s_1,3 = s_1,2 + s_2,3 cos q ,

где s_1,3 – натяжение на границе твёрдой фазы и газа; s_1,2 – натяжение на границе твёрдой и жидкой фазы; s_2,3 – натяжение на границе жидкой фазы и газа; cos q - коэффициент смачивания.

Решая уравнение относительно коэффициента смачивания, получим

cos q = (s_1,3 - s_1,2) / s_2,3 .

Из этого уравнения видно, что чем выше поверхностное натяжение припоя в расплавленном состоянии s_2,3 , тем хуже смачивает он основной металл. Однако поверхностное натяжение металлов не характеризует однозначно способность их в расплавленном состоянии течь по поверхности твёрдого металла. Растекание припоя определяется соотношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя:

К = s_2,3 (cos q - 1),

где К – коэффициент растекания.

На процесс смачивания и растекания припоя оказывают влияние и технологические факторы: способ удаления оксидной плёнки в процессе пайки, характер предшествующей механической обработки, режим пайки и др. Так при флюсовой пайке флюсы действуют как поверхностно активные вещества, которые снижают поверхностное натяжение расплавленных припоев, что способствует улучшению смачивания паяемой поверхности.

Под действием капиллярного давления припой поднимается по капилляру на высоту h:

h = 2s_2,3 cosq / ggD, (1)

где D - суммарный зазор, g – ускорение свободного падения, g - плотность припоя.

В горизонтальном капилляре шириной D для припоя с вязкостью h продолжительность затекания t на длину капилляра l приближённо равна

t » 6hl² / s_2,3 cosq D . (2)

Как показывает анализ (1) и (2), скорость затекания в горизонтальном капилляре и высота подъёма в вертикальном уменьшаются при снижении поверхностного натяжения между припоем и флюсом. Эффективность пайки определяется также величиной зазора между паяемыми элементами, он находится в пределах от сотых до десятых долей миллиметра и зависит от пары "припой – основной металл", применяемого флюса и способа пайки. Максимально допустимый зазор при пайке D_max в зависимости от высоты поднятия припоя определяется по формуле

,

где r – радиус вывода; b, n – постоянные величины.

В процессе растекания припоя происходит взаимодействие жидкой фазы припоя с основным металлом, проявляющееся в растворении и диффузии металлов. Скорость и глубина этих процессов зависит от природы взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени нагрева, напряжений в основном металле.

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.

 

Выбор материалов для монтажной пайки

На качество паяных соединений оказывают существенное влияние не только технологические условия проведения пайки, но и правильный выбор материалов: флюсов, припоев, очистных жидкостей.

 

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:

1) некоррозионные, неактивированные;

2) некоррозионные, слабоактивированные;

3) слабокоррозионные, активированные;

4) коррозионные, активированные;

5) 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: олово-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 (Т_пл £ 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 капилярные 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, t_плавл. 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, t_плавл. 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, t_плавл. 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, t_плавл.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, t_плавл. 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.

 

Лекция 16

 

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:

1) фиксация соединительных элементов с предварительно подготовленными к пайке поверхностями;

2) нанесение дозированного количества флюса и припоя;

3) нагрев деталей до заданной температуры и выдержка в течении ограниченного времени;

4) охлаждение соединения без перемещения паяемых поверхностей;

5) очистка соединений;

6) 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… 100⁰С 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.

Температура пайки для наиболее широко распространенного припоя ПОС- 61М составляет 280±10⁰С и время пайки 1…3с. Пониженная температура приводит к недостаточной жидкотекучести припоя, плохому смачиванию, образованию "холодной пайки". Завышенная температура вызывает обугливание флюса, выгорание компонентов припоя, эрозию материала паяльного жала.

 

Групповые методы пайки

 

Современные методы групповой пайки в производстве РЭА классифицируются по источникам тепловой энергии, являющимся главным фактором при формировании паяных соединений (рис.1).

 

 

Рис.1 Классификация методов групповой пайки

 

 

пайка элементов со штыревыми выводами, установленными на ПП, в условиях поточного производства проводится двумя основными методами: погружением и волной припоя. Различные варианты реализации метода пайки погружением приведены на рис.2. При пайке ПП со смонтированными элементами на 2…4 с погружается в расплавленный припой на глубину 0,4…0,6 её толщины, что приводит к капиллярному течению припоя и заполнению им монтажных отверстий (рис.1,а). Одновременное воздействие температуры на всю поверхность платы приводят к её перегреву и термоудару. Это вызывает повышенное коробление ПП, что ограничивает их максимальный размер с соотношением сторон 1:2. Чтобы ограничить зону действия припоя, на плату с монтажной стороны наносят специальную защитную маску (бумажную, эпоксидную), в которой предусмотрены отверстия под контактные площадки. С этой целью температуру пайки выбирают более низкой, что также уменьшает потери припоя из-за окисления. Продукты окисления скапливаются на поверхности и

перед каждой пайкой их удаляют металлическим скребком. Частицы растворителя флюса, попавшие в припой, интенсивно испаряются, что приводит к локальным непропаям. Для уменьшения числа непропаянных соединений применяют пайку погружением с наклоном (5…7⁰) платы (рис.2б) или на плату подают механические колебания частотой 50…200 Гц и амплитудой 0,5…1 мм (рис.2г).

Наиболее совершенным способом реализации пайки погружением является пайка протягиванием (рис.2в), при которой ПП укладывается в держатель под углом около 5⁰, погружается в ванну и протягивается по зеркалу припоя.

Рис.2. Способы реализации пайки погружением

а – с вертикальным перемещением платы; б – с наклоном платы; в – протягиванием; г – с применением колебательных движений; д – с маятниковым движением платы; е – избирательная; ж – каскадная; з – в ванну заполненную сеткой.

 

Впереди держателя имеется закреплённый скребок, который очищает поверхность зеркала. Создаются благоприятные условия для удаления флюса и излишков припоя. Время пайки протягиванием увеличивается до 10 с.

Избирательная пайка (рис.2е) обеспечивает выборочную подачу припоя к паяемым контактам через специальную фильеру, изготовленную из нержавеющей стали. Между платой и фильерой зажимается слой термостойкой резины. При избирательной пайке уменьшается температура платы, снижается нагрев ЭРЭ и расход припоя. Применяют её в условиях массового производства, когда изготовление специальной фильеры экономически целесообразно.

Высокое качество пайки обеспечивает способ погружения платы в заполненную сеткой (например, из никеля с размером ячеек 0,2´0,2 мм) ванну (рис.2з), которая превращается в капиллярный питатель. При соприкосновении платы с сеткой припой выдавливается через её ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит в зазор между выводами и металлизированными отверстиями. При обратном движении платы избыток припоя затягивается капилярами сеточного набора, что предотвращает образование сосулек. Различие в длине выводов не сказывается на качестве пайки из-за гибкости сетки.

Пайка волной припоя является самым распространённым методом групповой пайки. Она заключается в том, что плата прямолинейно перемещается через гребень волны припоя. Её преимуществами являются: высокая производительность, возможность создания комплексно-автоматизированного оборудования, ограниченное время взаимодействия припоя с платой, что снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев элементов. Главным условием высокой разрешающей способности пайки волной припоя является создание тонкого и равномерного слоя припоя на проводниках, позволяющего без перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми зазорами между печатными проводниками.

Процесс пайки для односторонней (рис.3а) и двусторонней (рис.3б) волн состоит из трёх этапов: вхождение в припой (точка А), контактирование с припоем (отрезок АВ) и выход из припоя (точка В). На первом этапе, направление скорости фонтанирования волны V_А способствует удаление паров флюса из зоны реакции: как при двухсторонней, так и при односторонней волне.

 

Рис.3.Схема взаимодействия расплавленного припоя с паяемой платой при односторонней (а) и двусторонней (б) волнах.

 

На втором этапе полоса растекания припоя по плате АВ, в сочетании со скоростью конвейера V_К, определяет время пайки. При двусторонней волне, это время больше за счёт достижения более полного заполнения припоем металлизированных отверстий. Увеличение времени взаимодействия повышает толщину припоя на печатных проводниках до некоторого предела.

Окончательное формирование толщины слоя происходит на выходе платы из волны припоя в точке В. В односторонней волне относительная скорость точке В увеличивается, так как векторы скоростей конвейера и волны припоя направлены в противоположные стороны. При этом смываются излишки припоя и утоньшается оставшийся слой припоя.

В двусторонней волне относительная скорость точке В уменьшается, так как векторы скоростей конвейера и волны припоя направлены в одну сторону, что способствует образованию наплывов.

Для образования волны припоя в установках преимущественно используют механические нагнетатели, давление воздуха или газа, ультразвуковые колебания, электромагнитные нагнетатели.

В настоящее время широкое применение в технологии ЭC получили методы пайки концентрированными потоками энергии, достоинства которых являются высокая интенсивность, бесконтактное воздействие источника нагрева на зону контактирования, ограниченная зона теплового воздействия. Разработанные методы активируют не только систему "припой – паяемый материал", но и процессы их физико-химического взаимодействия, что приводит к интенсификации процессов пайки. Пайку элементов производят следующими методами: горячим газом, в парах специальной жидкости, ИК-излучением, токами высокой частоты, лазерным излучением и т.д.

 

ЛЕКЦИЯ 17