Ларин В.П. Технология пайки.Методы исследования процессов пайки и паяных соединений

Подождите немного. Документ загружается.

Отсюда ясно, что уменьшение поверхностного натяжения припоя

приводит к соответ ствующему уменьшению угла смач и вания.

При этом возникает возможность целенаправленно влиять на повер-

хностное натяжение, при котором используются соответствующие эле-

менты сплава припоя или компоненты флюса, которые адсорбируются

поверхностью припоя. Поверхностное натяжение основного материала

может также изменяться благодаря адсорбции компонентов флюса. Если

при этом увеличить поверхностное натяжение σ

, то смачиваемость ста-

новится лучше, т. е. угол смачивания θ становится меньше.

Т аким образом, смачивание как решающий фактор процесса пайки

мож ет улучшаться в основном посредством поверхностно-активных ве-

ществ флюсов. Это имеет особое значение при групповых мето дах пай-

ки, например, при пайке волной, при которой одновременно сма чивает-

ся множ ество мест контактирования за небольшой промежуток времени.

Повышение температуры имеет решающее влияние на процесс сма-

чивания. Температура и время – два основных парамет ра, влияющих на

процесс диффузии. Различают температуру смачивания и рабочую тем-

перату ру. Температурой смачивания являет ся такая температура, до ко-

торой должен нагреваться основной материал, с тем, чтобы поступаю-

щий жидкий припой мог смочить основной материал. Для образования

процесса связи она является решающей температурой. В противопо-

ложность этому рабочей температурой является такая температура, ко-

торую должен достигать основной материа л на поверхности соприкос-

новения «основное вещество – жидкий припой», чтобы припой мог

расшириться, расплавиться и связаться.

Для оценки паяемости металлов применяются методы, связанные с

определением площади или высоты растекшегося припоя по паяемой

поверхности. Коэффициент растекания припоя K

в первом случае оп-

ределяется как

где S

и S

– соответственно площади растекшегося припоя и его исход-

ной дозы.

Во втором случае K

может быть определен с помощью отношения

−

где D

– диаметр гипотетиче ской капли припоя; H

– высота капли рас-

текшегося припоя.

Величина D

определяется из предположения отсутствия влияния

силы тяжести исходной дозы припоя

πρ

D =

где m – масса дозы припоя; ρ – плотность припоя в расплавленном со-

стоянии.

Значения коэффициентов растекания припоя, определенные по при-

веденным выражениям, оказываются различными, поскольку в первом

случае S

> S

и K

>1, а во втором случае H

и K

<1. Это затрудняет

сравнение данных о паяемости покрытий. Кроме того, при определении

в первом случае необ ходимо регламентировать массу исходной дозы

припоя, кот орая ок азывает в лияние на площадь растекания припоя. Во

в т ором случае диаметр гипотетической капли припо я не учитывает вли-

яния сил тяжести, что занижает значения коэффициента растекания.

Для учета массы исходной дозы расплавленного припоя и влияния

факторов внешней среды необходимо рассмотреть условия равновесия

«лежащей» капли на несмачиваемой поверхно сти (рис. 3.2).

Условие равновесия определяется уравнением

П.Ж

σ sin ,

пр

Рис. 3.2. Схема равновесия лежащей капли припоя на поверхности твердого тела

где

П.Ж

– коэффициент поверхностного натяжения расплавленного при-

поя; g – ускорение силы тяже сти ; y – текущая координата.

Из решения уравнения может быть определена высота «лежащей» кап-

ли припоя

()

П.Ж

ПР

21cos

σ−θ

где θ – угол смачивания поверхности припоем.

Таким образом, высота «лежащей» капли расплавленного припоя на

несмачиваемой поверхности определяется углом смачивания.

Реальные углы смачивания наве ски припоя ПОС61 массой 250 мг на

медной подложке, имеющей степень шероховато сти , равную 2,5 мкм, в

отсутствие флюса, измеренные на уст ановке конт роля углов смачива-

ния УКУС–1, составляют 100–120°. Рассчитанные значения высоты «ле-

жащей» капли припоя в зависимости от углов смачивания (90–180°)

приведены в табл. 3.1.

Та блица 3.1

Значения высоты капли припоя

Параметры

капли припоя

Измеренные величины

θ , град

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Cos θ 0 –0,17 –0,34 –0,5 –0,64 –0,77 –0,87 –0,94 –0,98 –1

, мм 3,57 3,80 4,13 4,38 4,57 4,75 4,88 4,87 5,02 5,05

Учитывая, что в реальных условиях пайки высота «лежащей» капли

расплавленного припоя Н

ПР

все гда меньше диамет ра гипотетической

сферы припоя D

расчет коэффициента растекания припоя K

необхо-

димо проводить с использованием выражения:

ПР К

ПР

100%.

H Н

−

4. КАЧЕСТВО ПАЯНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Качество паяного соединения определяется многочисленными фак-

торами, состав которых зависит от метода пайки.

Схема, показывающая состав различных групп факторов, влияющих

на качество паяных соединений при пайке волной припоя, приведена

на рис. 4.1.

Таблица 4.1

Основные дефекты пайки

Дефект пайки Причины появления

Непропай

Несоблюдение необходимого соот ношения

между диаметрами отверстия и вывода

компон ента

Недостаточное к оличество флюса

Плохая прилипаемость олова из-за

загрязнения поверхности

Нарушение режима нагрева

Перемычки

Неправильное конструктивное оформление

платы, близкорасположенные проводники

Избыток олова при ручной пайк е

Сосу льки

Низкая температура пайки

Недостаточное время пайки

«Холодная пайка» характеризует-

ся матовым цветом и микротре-

щинами на поверхности

Смещ ение олова или компонента в момент

кристаллизации олова (необходима вторичная

пайка)

Налипание припоя к поверхности

платы

Неправильный выбор материала защитной

маски при изготовлении печатной платы

Он взаимодейству ет с флюсом и задерживает

олово

Трещины в паяных соединениях

Значительные различия в температурных

коэффициентах линейного расширения припоя,

печатной платы, медных проводников,

выводов комп он ента

Раковины и газовые поры

Неправильный выбор или низкое качество

диэлектрического основания платы

Перегрев печатной платы и разложение

диэлектрического основания

Белый осадок

Неправильный состав флюса или материала

защитн ого покрытия. Удаляется промывкой

Темный осадок

Неполное удаление остатков флюса

Несовместимость флюса с составом за-

щитного покрытия плат. Удаляется промывкой

Большинство из приведенных факторов влияют на качество паяных

соединений и при других методах пайки. Однако в каждом методе име-

ются специфические факторы.

Рис. 4.1. Факторы, влияющие на качество паяных соединений при пайке волной припоя

Состояние поверхности вывода

компонента. Состояние

поверхности контактной

площадки. Качество

предварительного лужения

Количество волн. Профиль волны.

Скорость фонтанирования. Угол

входа и выхода. Температура.

Скорость перемещения

Качество флюса.

Способ нанесения

флюса. Толщина флюса

Температура

предварительного

подогрева. Время

подогрева

Качество паяных

соединений при пайке

волной

Неточное положение вывода

относительно контактной

площадки. Деформация вывода.

Качество и вид маски

Вид припоя. Процент загрязнения.

Частота смены припоя в ванне

Расположение контактных площадок. Размеры

монтажных отверстий (или контактных площадок).

Форма и размеры выводов. Конструкция платы.

Отношение ТКЛР платы и корпуса компонента

Способ отмывки. Вид

покрытия

Так, при пайке лазерным лучом к таким факторам относятся: мощ-

ность лазерного излучения; соотношение мощности излучения и скоро-

сти перемещения платы; марка паяльной пасты и ее качество; толщина

слоя паяльной пасты; диаметр пятна лазерного луча.

При инфракрасной пайке специфическими факторами являются: тем-

пература предварительного нагрева платы; температура зоны пайки;

время нахождения платы в зоне, марка паяльной пасты и ее качество;

толщина слоя паяльной пасты; скоро сть охлаждения платы.

При конденсационной пайке: температура предварительного нагре-

ва платы; время нахождения платы в зоне пайки; температура в зоне

пайки; скорость охлаждения; толщина слоя паяльной пасты; марка па-

яльной пасты и ее качество.

Рассмотренные факторы влияют на наличие тех или иных дефектов

пайки и определяют их вид. Приведем основные дефекты пайки и при-

чины их появления (табл 4.1).

5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Для измерения высоты капли припоя после растекания используется

прибор, в о снову которого положен принцип бесконтактного измере-

ния с помощью индуктивного преобразователя (рис. 5.1). Схема прибо-

ра содержит индуктивный преобразователь 4, высокочастотный генера-

тор 1, измеритель частоты генератора 2 и регистрирующий прибор 3. В

осевом отверстии катушки индуктивности преобразователя жестко зак-

реплена игла 5 из материала, смачиваемого припоем 6. Игла уст анавли-

вается на исследуемую поверхность образца 7, длина иглы должна пре-

вышать высоту капель припоя при полной не смачиваемости

исследуемого металла. Для расплавления припоя используют нагрева-

тель 8. Перед началом испытаний в центре образца с гальваническим

покрытием наносят навеску припоя дозированной массы 250 мг и дози-

рованный объем флюса 0,01 мл. Включают нагреватель и устанавлива-

ют на заданном уровне температуру испытаний. Индуктивный преоб-

разователь располагают на плоской заготовке припоя таким образом,

чтобы игла фиксирова ла осевую симмет рию преобразователя и заготов-

ки припоя.

С помощью секундомера фиксируют начало и конец растекания кап-

ли припоя, определяют частоту по показаниям прибора и, применяя

построенные для данного типа покрытия номограммы, находят высоту

капли растекшегося припоя, а затем коэффициент растекания припоя.

Для повышения точности измерений, а также с целью исключения

влияния температурного фактора в приборе используются два идентич-

ных индуктивных преобразователя и два высоко частотных генератора.

При этом осуществляется измерение разностной частоты, получаемой в

дополнительном каскаде-смесителе. Балансная схема включения генера-

тора позволяет компенсировать изменения частоты преобразователя в

резуль тате нагрева катушек индуктивности в процессе испытания.

Таким образом, может быть исследована паяемость гальванических

покрытий, используемых для выводов интегральных схем: золота, се-

ребра, па лладия, олова, сплавов (олово-висмут, олово-никель, па лла-

дий-сурьма и палладий-индий). Результаты определения коэффициент а

растекания припоя ПОС61 при использовании спиртоканифольного

флюса приведены в табл. 5.1.

Рис. 5. 1. Схема прибора для измерения высоты капли растекшегося припоя

µA

Рис. 5.2. Факторы, определяющие смачиваемость и паяемость монтажного основания

Состояние

поверхности МО и

выводов

компонентов

Устойчивость

к пайке

компонентов и ПП

Паяемость

Смачиваемость

ФлюсВремя пайкиТемпература пайки

Качественный и

количественный

состав припоя

Состав материала

покрытия

Параметры процесса пайки

(скорость перемещения,

температура и др.)

Ограничения

в выборе флюса

Конструктивные факторы (конструкция ПП,

расстояние между контактными площадками,

диаметры отверстий, размеры контактных

площадок и др.)

Загрязнение анодов и электролитов

остатками фоторезистов, краски, лаков,

меди и микровключения Zn, Cd, Au

Остатки растворов меднения

Остатки материалов

механической обработки

Наличие органических

материалов,

пыли на поверхности

Наличие окисной

пленки

Наличие остатков серы из раствора

травителей, остатки катализаторов и

других химических реактивов

Та блица 5.1

Паяемость выводов интегральных микросхем

Тип покрытия Состав, % Условия испытаний

Коэффициент растекани я

припоя К

ПР

Au 100 Au ПОС61 0,91

Ag 100 Ag Т = 493К ФКСп, t = 10 с 0,88

Pd-In 12 In, 88 Pd t = 15 с 0,85

Pd 100 Pd t = 15 с 0,80

Pd-Sb 5 Sb, 95 Pd t = 15 с 0,78

Sn 100 Sn t = 15 с 0,98

Sn-Bi 3 Bi, 97 Sn t = 15 с 0,86

Sn-Ni 35 Ni, 65 Sn t = 15 с 0,78

Sn-Ni Блеск ообразователи t = 15 с 0,82

Нарушения смачиваемости могут наблюдаться по всей ПП или толь-

ко на отдельных местах пайки. Смачиваемость считается хорошей, если

металлическая поверхность имеет равномерное, сплошное покрытие

припоем, а на границе фаз “основное вещество-припой” образуется

сплав. Процесс смачивания происходит в момент подвода припоя к чи-

стой мет а ллической поверхности при достаточной температуре.

Время воздействия флюса, температура и время пайки выбираются

так, чтобы смачиваемость стала видимой. Качество смачиваемости обес-

печивает паяемость, с другой стороны, паяемость определяется еще и

рядом факторов, что показано на рис. 5.2.

6. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПАЙКИ

Все методы исследования процессов пайки в зависимости от решае-

мых задач можно свести в две укрупненные группы.

К группе А относятся исследования, имеющие целью сравнение раз-

личных методов пайки применительно к конкретному типу конст рук-

ции элект ронных узлов на ПП и выбор наиболее эффективного метода.

К группе В относятся исследования, которые преследуют цель на-

хождения оптимального соотношения величин параметров определен-

ного процесса пайки для получения надежного паяного соединения с

высокой степенью постоянства его характеристик.

Задачи группы А решаются, как правило, на организационно-техно-

логическом уровне и основными параметрами сравнения здесь служат:

– произво дительность мето да (точнее соот ветствующего обору дования);

– гибкость технологии;

– материало- и энергозатраты;

– стоимость оборудования и экспл уатационные затраты;

– показатели качества;

– экологические характеристики.

В качестве исх о дных данных для решения зада ч гр уппы А используются:

– объем производства;

– номенклатура объектов производства;

– размеры партий;

– конструкторско-технологиче ские характеристики объектов произ-

водства, отмеченные во введении.

Если в результате решения зада чи А не выяв лено существенного пре-

имущества ни одног о из рассматриваемых мето дов, можно продолжить

исследования, решая задачу В для этих методов относительно одного кри-

терия оценки.

Чтобы задача имела общую область решений (или единую шкалу

оценок), необходимо выбрать факторы, определяющие или влияющие

на данный критерий независимо от исследуемого метода. Однако как

уже отмечалось ранее, качество пайки зависит от множества факторов,

число и вид которых в значительной мере определяется конкретным

методом пайки. Чтобы снять это противоречие, необходимо отобрать

такие факторы, которые являются общими для всех исследуемых мето-

дов и в то же время влияют на параметр, служащий критерием сравни-

тельной оценки.

Наиболее эф фективный способ решения такого рода задач – приме-

нение моделирования. Рассматриваемые в данной работе системы мо-

делирования позволяют решать следующие задачи оптимизации по кри-

терию прочности паяных соединений:

определение значения факторов, при которых критерий оптимиза-

ции получает максимальную величину;

сравнительная оценка методов пайки по в еличине критерия оптимизации.

Задание 1

Прочность соединения при пайке волной припоя является функцией

следующих параметров: скорости фонтанирования; скорости движения

ПП относительно припоя ; угла выхода ПП; температуры пайки.