Флюсы с низким содержанием твердых частиц для бессвинцовой селективной пайки

Хотя многие эксперты предсказывали скорый отказ от компонентов для установки в отверстие, они до сих пор широко применяются десятками миллиардов штук в год. Эти компоненты и, в первую очередь, разъемы, часто используются для обеспечения механической прочности плат со смешанным монтажом. Типичным примером такого применения является USB-разъем для ноутбуков. Известно, что SMT-соединения не обеспечивают механической прочности при подключении и отключении нескольких разъемов. Однако пайка волной припоя при монтаже нескольких компонентов для установки в отверстие не оправдана экономически и может повредить печатную SMT-плату. В этих случаях применяется метод селективной пайки.

В методе селективной пайки применяется специализированный автомат для нанесения жидкого флюса и расплавленного припоя на определенные участки обратной стороны печатной платы, что схоже с пайкой волной припоя, однако волна в данном случае имеет малые размеры и воздействует только на область будущего соединения. При этом вся плата не подвергается резким скачкам температуры из-за расплавленного припоя. Автомат для селективной пайки, как и оборудование для пайки волной, работает с компонентами для установки в отверстия платы, но использует распылитель припоя, перемещаемый в соответствии с заданной программой, либо оснастку, образующую волну в местах паяных соединений.
В селективной пайке не используется паллета для экранирования тех участков платы, на которые не наносится флюс или не воздействует волна припоя. В этой технологии теплопередача на другие участки платы ограничена. В отдельных случаях допускается также предварительный нагрев всей платы или только паяемой области.
При использовании автоматизированного оборудования селективной пайки (см. рис. 1) необходимо учитывать многие вещи. Иногда производитель вынужден работать с тем флюсом, который был выбран заказчиком или поставщиком. В иных случаях выбор этого материала зависит от метода удаления флюса, степени заполнения отверстий и смачиваемости, возникновения остатков на плате после пайки и необходимости их выжигания в применяемом процессе. Необходимо удалить с платы все те активные остатки, которые вызвать короткое замыкание при ее эксплуатации.

Рис. 1. Типовой автомат для селективной пайки

Поскольку в большинстве случаев селективной пайки используются мелкосерийные и смешанные процессы, необходимо, чтобы автоматы обладали достаточной гибкостью. Используемое оборудование имеет либо такую конфигурацию, когда печатные платы поступают и покидают его с одной стороны, либо встроенную конфигурацию, при которой печатные платы подаются с одной стороны, проходят через автоматы и покидают их с противоположной стороны. При этом флюсование, предварительный нагрев и пайка происходят одновременно для максимального повышения производительности линии. К числу других вариантов обработки печатных плат относится использование одного или нескольких распыляющих сопел, когда одновременно могут работать до четырех таких дозаторов. Кроме того, для распределения припоя применяются матрицы из сопел, в т.ч. «несмачиваемое» сопло, когда плата располагается под углом 7–10°, как в стандартном автомате для пайки волной, или сопла «смачиваемого» типа для случаев, когда плата паяется под углом 0° (см. рис. 2). Эти сопла могут без переключения использоваться для автономной пайки различных массивов печатных плат.

Рис. 2. Установка с распыляющими соплами «несмачиваемого» (слева) и «смачиваемого» (справа) типов

С одной стороны, флюсы с низким содержанием твердых веществ должны обеспечить все свойства, присущие хорошему паяному соединению, включая стопроцентное заполнение отверстий и образование припойных кромок. С другой стороны, эти флюсы не должны оставлять остатка и не препятствовать тестированию электрических контактов с помощью зонда. Отсутствие видимых остатков флюса, помимо прочего, лишь повышает качество пайки.
Еще одним достоинством применения флюсов с низким содержанием твердых частиц является их способность наноситься на плату в микродозах. При невысокой концентрации таких растворенных веществ как канифоль и химические активаторы, используемые в стандартных флюсах, флюсы с малым содержанием твердых частиц не забивают дозаторы (см. рис. 3).

Рис. 3. Установка со сдвоенными распылительными соплами для пайки припоем по осям X-Y: 1,8-мм (слева) и 4-мм (справа)

Наиболее важным фактором, определяющим использование флюсов с низким содержанием твердых веществ, является возможность удаления его остатков расплавленным припоем. Известно, что удаление флюсов с высоким содержанием твердых веществ с помощью припоя сопряжено с определенными трудностями (см. рис. 4) [1]. Чем эффективнее моющее воздействие расплавленного припоя, тем больше у паяного соединения смачиваемость, заполнение отверстий и электрическое сопротивление изоляции. Кроме того, возможность более легкого удаления флюса с низким содержанием твердых частиц уменьшает шансы нанесения недостаточного количества припоя.

Рис. 4. Остатки флюса с высоким содержанием твердых веществ вокруг компонента для монтажа в отверстие

Количество остатков от бесканифольных флюсов минимально после пайки волной, т.к. эти остатки улетучиваются при нагревании и контакте с расплавленным припоем. Кроме того, флюс удаляется при отмывке. Напротив, флюс, содержащий канифоль, не улетучивается при нагревании и контакте с расплавленным припоем и только частично смывается с платы при его воздействии. В результате на смонтированной плате остается смесь активаторов флюса и канифоли.
Остатки от бесканифольных флюсов негигроскопичны, т.е. не впитывают влагу из окружающей среды. При избыточном количестве остатков и достаточно влажной окружающей среде слабые органические кислоты разлагаются, что может привести к возникновению токов утечки. С этой точки зрения флюсы с канифолью выигрышнее не только за счет нерастворимости канифоли, но и за счет герметизирующих свойств, которые определяются соотношением количества слабых органических кислот и канифоли.

В автоматах селективной пайки для монтажа компонентов в отверстия используются распылительные сопла диаметром 2 мм, что позволяет ограничить передачу тепла по всей печатной плате. Таким образом, нанесенный в этих участках флюс при селективной пайке следует активировать и затем выжечь, чтобы его остатки на плате не стали причиной коротких замыканий.
Для качественной пайки необходимо, чтобы все отверстия были полностью заполнены припоем. Каждое паяное соединение смонтированной платы должно отвечать критериям пайки классов 1–3 в соответствии со стандартом IPC J-STD-001. Оборудование для селективной пайки обеспечивает нанесение достаточного количества флюса и припоя, а также нагрев для создания паяных соединений, отвечающих требованиям IPC. Пайка выводов компонентов осуществляется при перемещении печатного узла над неподвижным соплом с расплавленным припоем. Благодаря большой номенклатуре паяльных сопел осуществляется пайка как единичных, так и групп компонентов, в т.ч. с большим количеством выводов. В установках селективной пайки предусмотрено подключение внешнего источника инертной среды (азота). Азотная среда во время пайки понижает окисление, расширяет технологическое окно процесса, уменьшает риск образования перемычек и шлама, увеличивает поверхностное натяжение, благодаря чему создаются условия для повышения смачивания и растекания припоя. Селективная пайка осуществляется быстрее, чем ручная. В то же время селективная пайка менее сложная, чем пайка волной, и в большинстве случаев обеспечивает меньшее количество дефектов.
Поверхностное сопротивление изо­ля­ции (Surface Insulation Resis­tance, SIR) определяется как электрическое сопротивление между двумя проводниками. На его величину оказывают влияние такие факторы как поверхностное сопротивление слоя, объемная проводимость и токи утечки по электролиту. Для производителя электронных устройств электрическое сопротивление изоляции служит показателем способности системы противостоять коротким замыканиям выводов или соединениям на печатной плате.
Измерение электрического сопротивления изоляции используется для проверки качества селективной пайки с помощью флюсов с низким содержанием твердых веществ. Это стандартный тест для безотмывных флюсов, который обеспечивает отсутствие проводимости их остатков после соответствующей обработки платы. Электрическое сопротивление изоляции определяет электрохимическую реакцию печатной платы на различных этапах ее производства. Этот показатель помогает установить, как припой реагирует на применение конкретного флюса на смонтированной плате, а также на параметры процесса. Главным образом, проверка электрического сопротивления изоляции предназначена для выявления того, как поведет себя плата при самых неблагоприятных условиях температуры и влажности, а также обнаружения активных участков с остатками флюса на поверхности платы после завершения селективной пайки. Измерение электрического сопротивления изоляции позволяет отладить процесс обработки смонтированной платы щелочью, что способствует повышению срока службы паяных соединений и компонентов [2].
При сравнении результатов измерения сопротивлений изоляции в разных случаях необходимо, чтобы метод нанесения и выбор флюса, время селективной пайки и температура были одинаковыми. С учетом более реалистичных условий окружающей среды, в т.ч. температуры камеры, мониторинга и относительной влажности, повысилась не только сложность этого теста, но и точность.

При выборе флюса с низким содержанием твердых частиц для селективной пайки требуется учитывать множество разных факторов. Как и в других методах, «универсальный» флюс не во всех случаях является лучшим выбором. Характеристики этого флюса и соответствующего технологического процесса устанавливаются с учетом характеристик выпускаемого изделия. Мы выяснили, что при проектировании селективного процесса пайки, по крайней мере, следует учитывать такие параметры флюса как заполняемость отверстий, смачиваемость, а также электрическое сопротивление изоляции.
Необходимо также оптимизировать используемый флюс для правильной оценки каждого из этих параметров. На каждом этапе такой оптимизации, соответственно, учитывается выбор автомата, методы нанесения флюса, предварительного нагрева для сушки остатков растворителя и способы активации. Тщательный выбор оборудования, флюса с низким содержанием твердых частиц, средств обработки и тестирования обеспечивает организацию надежного и воспроизводимого процесса.