Статьи
Пайку можно назвать одним из самых сложных этапов при производстве радиоэлектронной продукции. Построение и отладка термопрофиля — творческий и непростой процесс, который под силу опытным и, зачастую, креативным сотрудникам. Но даже имея идеальный термопрофиль, в условиях производства можно столкнуться с массой дефектов, возникающих при пайке.
В более ответственных сферах производства радиоэлектронной продукции появляется необходимость создания максимально надежного паяного соединения, устойчивого к коррозии и способного перенести различные воздействия, как температурные, так и механические.
Одним из параметров надежности паяного соединения можно назвать его однородность. Присутствие пустот в паяном соединении может привести к коррозии и последующему выходу изделия из строя. Также одним из важных факторов качественной пайки можно назвать смачиваемость спаиваемых поверхностей. В этой статье проанализированы варианты создания специальных условий при пайке, которые напрямую влияют на качество паяного соединения.
Влияние вакуума и его функции при пайке Чтобы оценить влияние вакуума и понять принцип его действия, рассмотрим типовой профиль пайки изделий в вакууме, представленный на рис. 1.
Вакуум используется в процессе пайки два раза.
Первый раз — сразу после помещения продукта пайки в систему пайки в вакууме. Это действие используется для удаления воздуха из рабочей камеры. После создания вакуума камера может быть наполнена специальным газом или смесью газов.
Второй раз вакуум создается в фазе оплавления. При переходе припоя в жидкое состояние вакуум позволяет выместить воздух из объема паяного соединения, таким образом можно удалить образовавшиеся пустоты. После достижения вакуума в рабочую камеру может быть также подан газ (или смесь газов) для создания дополнительных условий при пайке.
Примеры паяных соединений при пайке в воздухе и специальной среде с использованием вакуума приведены на рис. 2.
Для повышения качества паяного соединения пайку можно проводить в специальной атмосфере, что позволяет минимизировать процессы окисления и улучшить смачиваемость поверхностей.
Технологию пайки можно условно разделить на две группы по типу активации поверхностей перед пайкой (табл. 1):
Тип пайки | Тип паяльного материала |
---|---|
Пайка с использованием флюса | Паяльная паста, пресс-форма припоя с флюсом, фольга с флюсом |
Пайка без использования флюса | Пресс-форма припоя, фольга |
Рассмотрим возможные типы атмосферы для обоих способов пайки изделий.
При этом способе пайки функцию активатора поверхностей перед пайкой будет выполнять флюс. Специальная среда, которая может создаваться в современных системах вакуумной пайки, должна обеспечивать лишь отсутствие окислений на спаиваемых поверхностях.
В качестве инертной среды можно использовать следующие газы:
Как известно, азот (N2) — бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха газ. В атмосфере азот является основной составляющей. (На его долю приходится примерно 78% атмосферы, еще 20,9% занимает кислород, 0,9% — аргон. Остальная часть атмосферы состоит из углекислого газа, водорода, неона, гелия, криптона, ксенона и других газов.) Газообразный азот широко используется в промышленности, благодаря своей химической инертности.
Достоинства:
Недостаток — не подготавливает площадки и поверхности к пайке.
Формир-газ — это смесь из 95% азота и 5% водорода. Основное свойство водорода — способность разрушать оксидные пленки на поверхностях, тем самым удаляются окисления.
Достоинства:
Недостаток — низкая способность подготавливать поверхности.
Этот способ пайки целесообразно использовать при производстве изделий с высокой степенью ответственности. Технология пайки без использования флюса является гораздо более «чистой», так как после пайки отсутствуют загрязнения от веществ, находящихся в составе флюса. Остатки флюса необходимо тщательно удалять с помощью отмывки, так как зачастую они становятся причиной выхода изделия из строя. При пайке без флюса специальная атмосфера, создаваемая в рабочей камере, должна не только обеспечивать активацию поверхностей при пайке, но и препятствовать образованию окислений.
Возможные варианты специальной атмосферы при пайке без использования флюса:
(HCOOH) Муравьиная кислота — химический реагент, позволяющий убрать окисления с поверхностей. В системах вакуумной пайки инертный газ проходит через емкость с муравьиной кислотой, в результате чего образуется «влажный газ», содержащий пары муравьиной кислоты. Пар, взаимодействуя с поверхностями, удаляет окисления и подготавливает их к пайке.
Муравьиную кислоту рекомендуется использовать в профиле в фазе активации поверхностей. Температура должна быть между +130 и +170 °C, что особенно важно при использовании низкотемпературных припоев, так как альтернативные варианты подготовки поверхности при низких значениях температуры неэффективны.
Достоинства:
Недостатки — повышенные требования к безопасности.
Очищенный от примесей паров воды и других газов водород эффективно удаляет окислы металлов.
Водород гораздо более активный восстановитель, чем формир-газ или пары муравьиной кислоты. Так, например, окислы железа восстанавливаются в водороде примерно в 20 раз быстрее, чем в формир-газе при +500 °C, и в 10 раз быстрее при +300 °C. Недостатком водорода является взрывоопасность, ограничивающая его применение. Также следует отметить, что водород эффективно проявляет свои полезные свойства лишь при температуре выше +280 °C.
Достоинства:
Недостатки:
Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазму иногда называют четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.
Влияние плазмы на поверхности спаиваемых материалов (рис. 3):
При использовании плазмы достигается эффект, когда поверхностное натяжение поверхности становится максимально близким к поверхностному натяжению самого материала пайки (например, к пресс-форме). При таком эффекте припой равномерно смачивает всю площадь паяного соединения (рис. 4), а не собирается в шарики за счет большего поверхностного натяжения.
Достоинства:
Недостаток — повышенные требования к вакууму.
Компания Budatec (Германия) уже 15 лет занимается разработкой и выпуском систем вакуумной пайки. В Берлине находится исследовательская лаборатория, в которой специалисты Budatec проводят испытания пайки изделий заказчика.
Оборудование Budatec обладает следующими возможностями:
• Для процессов пайки:
– удаление пустот при пайке;
– отсутствие окисления;
– улучшение смачиваемости поверхностей;
– возможность использования плазмы для очистки поверхностей перед пайкой;
– быстрый нагрев и быстрое охлаждение (3 K/с);
– отсутствие загрязнений при пайке (при использовании технологии пайки без флюса).
• Для работы с клеями-компаундами:
– сушка и дегазация в одном устройстве;
– удаление пустот;
– улучшение клеящей способности поверхностей.
• Упаковка компонентов и корпусирование микросхем:
– герметичное запаивание корпуса микросхем с формир-газом;
– возможность работы с такими газами, как азот, аргон, гелий и др.;
– сборка продукции при вакууме до 0,1 мбар.
• Типовое применение систем вакуумной пайки:
– производство высоковольтных систем,
– микроэлектроника,
– установка кристаллов,
– сушка компаундов (рис. 5).
• Производство светодиодной продукции (рис. 6):
– УФ-диоды;
– лазерные диоды.
• Корпусирование и герметизация корпусов (рис. 7).
• VS160S (рис. 8, табл. 2). Это начальная модель в линейке, с помощью которой можно паять продукцию в азоте, формир-газе и парах муравьиной кислоты. Для работы с системой необходим вакуумный насос, предлагаемый в качестве опции.
Технические характеристики | Значение |
---|---|
Размер нагревательной поверхности | 160×160 мм |
Максимальная высота компонентов | 50 мм |
Максимальная температура пайки | +450 °С |
Скорость нагрева и охлаждения (max) | 3 К/с |
Максимальная загрузка нагревательной поверхности | 2,5 кг |
Рабочие газы | N2; N2H2 95/5% |
Электропитание | 400 В/16 А |
Подключение системы охлаждения водой | 10 л/мин. |
Вес печи | Около 50 кг |
• VS160UG (рис. 9, табл. 3). Эта модель также позволяет паять продукцию в азоте, формиргазе и парах муравьиной кислоты. Система поставляется в комплекте с вакуумным насосом. Она установлена на станину, внутри которой удобно располагаются все необходимые газовые магистрали, в том числе система подачи паров муравьиной кислоты (рис. 9б).
Технические характеристики | Значение |
---|---|
Размер нагревательной поверхности | 160×160 мм |
Максимальная высота компонентов | 50 мм |
Максимальная температура пайки | +450 °С |
Скорость нагрева и охлаждения (max) | 3 К/с |
Максимальная загрузка нагревательной поверхности | 2,5 кг |
Рабочие газы | N2; N2H2 95/5% |
Электропитание | 400 В/16 А |
Подключение системы охлаждения водой | 10 л/мин. |
Вес печи | Около 80 кг |
• VS320 (рис. 10, табл. 4). Старшая модель из всей линейки оборудования. Система позволяет производить пайку всеми описанными в статье методами: в среде азота, формиргаза, водорода, паров муравьиной кислоты, возможна установка генератора плазмы (рис. 10б).
Пайку в среде водорода можно проводить при содержании газа до 100%. Для удаления газа из рабочей камеры над машиной устанавливается дожигатель отработанного газа — для обеспечения безопасности.
Технические характеристики | Значение |
---|---|
Размер нагревательной поверхности | 320×320 мм |
Максимальная высота компонентов | 100 мм |
Максимальная температура пайки | +450 °С |
Скорость нагрева и охлаждения (max) | 2,5 К/с |
Максимальная загрузка нагревательной поверхности | 15 кг |
Рабочие газы | N2; N2H2 95/5%; H2 до 100% |
Электропитание | 400 В/32 А |
Подключение системы охлаждения водой | 10 л/мин. |
Вес печи | Около 300 кг |
В статье мы рассказали о технологии пайки в вакууме с использованием специальных газов и рассмотрели преимущества и недостатки возможных вариантов компоновки системы для проведения этого техпроцесса. Технология вакуумной пайки является наиболее эффективным способом получения качественного паяного соединения при изготовлении продукции для ответственных сфер применения.
В ноябре 2013 года компания «АванТех» (представитель компании Budatec в России) проведет презентацию новой машины для пайки в вакууме для серийного производства.