Выбор правильного флюса для припоя

Припой флюсслужит незамеченным химическим катализатором в металлургической сварке-реактивным соединением, которое удаляет оксидные пленки с основных металлов и одновременно снижает поверхностное натяжение, обеспечивая оптимальное смачивание припоя. В системе классификации IPC J-STD-004B флюсы подразделяются на четыре группы по составу: канифоль (RO), смола (RE), органические (OR) и неорганические (IN), каждое из которых имеет уровни активности, обозначаемые как низкие (L), умеренные (M) или высокие (H), в сочетании с индикаторами содержания галогенидов (0 для<0.05% or 1 for detectable halides). Getting this wrong doesn't just mean ugly joints-it means boards that fail in the field, corrosion that eats through traces over months, and the kind of reliability nightmares that keep production engineers up at night.

Вот что касается окисления: оно происходит быстро. Действительно быстро. В тот момент, когда медь увидит воздух при повышенной температуре, вы проиграете битву. Оксидные слои образуются в течение нескольких секунд после нагрева, а расплавленный припой совершенно отказывается прилипать к окисленным поверхностям. Он просто свернётся и будет сидеть там, издеваясь над тобой.

Flux решает эту проблему с двух сторон. Во-первых, активные ингредиенты-будь то абиетиновая кислота из сосновой смолы или синтетические органические кислоты-химически растворяют существующие оксиды. Во-вторых, флюс создает защитную пленку на только что очищенном металле, не позволяя кислороду повторно -загрязнять поверхность в течение короткого периода времени, когда припой фактически течет.

Явление смачивания – это то, где флюс сохраняет свое значение. Поверхностное натяжение обычно приводит к тому, что расплавленный припой сводит к минимуму площадь контакта, образуя сферы, а не растекаясь. Флюсовые соединения значительно уменьшают это напряжение, позволяя сплаву течь по контактным площадкам и выводам компонентов со скоростью от 0,1 до 0,2 метра в секунду. Без этого? Вы получаете обезвоживание, паяные перемычки и неполные соединения, которые выдерживают визуальный осмотр, но выходят из строя при термоциклировании.

Сосновая смола использовалась-в качестве основы флюса в электронной промышленности еще до того, как ваш дедушка паял электронные лампы. Есть причина, по которой такая долговечность-канифоли работает очень хорошо, несмотря на то, что она есть.

Обозначения R, RMA и RA восходят к военным спецификациям, которые отрасль в конечном итоге стандартизировала через IPC. Обычная канифоль (R) имеет минимальную активацию и подходит только для чистых поверхностей, которые были очищены несколько минут назад. В Rosin Mildly Activated (RMA) добавляются небольшие количества активаторов,-обычно органических галогенидов-для борьбы с легким окислением на типичных производственных плитах. Rosin Activated (RA) помогает справиться с сильно окисленными или трудно--припаиваемыми поверхностями.

Здесь все становится сложнее. Остатки RMA технически квалифицируются как «оставленные-на-месте» для многих применений, хотя это определение всегда было несколько оптимистичным. Остатки умеренно гигроскопичны. В контролируемом помещении, где работает бытовая электроника, у вас, вероятно, все в порядке. Поместите ту же самую доску в прибрежную установку с влажностью 80%, и внезапно эти «невредные» остатки начнут вытягивать влагу из воздуха, создавая проводящие пути и ускоряя коррозию.

Остатки флюса RA необходимо обязательно удалить. Никаких исключений. Активаторы, которые делают RA столь эффективным при разрезании оксидов, остаются агрессивными после охлаждения. Оставленные на месте, они со временем начнут атаковать медные провода и выводы компонентов. Изопропиловый спирт в концентрации 90%+ справляется с большинством остатков RA, хотя стойкие скопления под компонентами могут потребовать применения чего-то более агрессивного.

Классификация канифольных флюсов МПК варьируется от ROL0 (канифоль, низкая активность, отсутствие галогенидов) до ROH1 (канифоль, высокая активность, с галогенидами). Флюс ROL0 отвечает самым строгим требованиям надежности-, например, в аэрокосмической отрасли, имплантируемых медицинских устройствах и во всем, где отказ поля не просто дорог, но и может привести к катастрофе.

info-341-302

Название, честно говоря, немного вводит в заблуждение. «Минимальная-чистка» или «обычно-не-нуждается-чистка» были бы более точными, но это не так уж хорошо слетает с языка.

Никаких-чистых флюсов появилось в конце 1980-х годов в ответ на ограничения Монреальского протокола на чистящие растворители на основе ХФУ-. В электронной промышленности целые технологические процессы были построены вокруг парового обезжиривания хлорфторуглеродами, и внезапно этот вариант исчез. Вместо того, чтобы искать альтернативные методы очистки, производители подтолкнули химиков-флюсов к разработке составов, которые могли бы оставаться на доске.

Базовый подход предполагает резкое снижение содержания твердых частиц,-иногда до 1-2% по сравнению с 15-25% для традиционного канифольного флюса в сочетании с активаторами, предназначенными для полного саморасхода во время термического профиля пайки. Когда все пойдет правильно, у вас останется тонкий, инертный, непроводящий остаток, который не вызовет проблем.

Когда все идет не так? Это другая история.

Нет-чистый флюс очень чувствителен к температурным профилям. Активаторы должны достигать определенных температур в течение определенного времени, чтобы полностью разрушиться. Недостаточное тепло оставляет после себя химически активные соединения. Это особенно проблематично при выборочной пайке и ручной доработке, где профили нагрева менее контролируемы, чем в печах оплавления.

В производстве с высокой-надежностью есть грязный секрет: многие мастерские все равно очищают не-неочищенный флюс. Требования IPC-A-610 класса 3 для плат аэрокосмической и военной промышленности фактически предписывают использовать его для критически важных приложений. Причина проста:-зачем рисковать? Плотные платы с малым расстоянием между дорожками и компоненты с малыми расстояниями, такие как BGA, создают идеальную среду для остатков флюса, которые удерживают влагу и вызывают электрохимическую миграцию.

Не-очищенные остатки также очень трудно удалить, если вы решите, что очистка необходима. Состав с низкой-активностью, который делает их "безопасными" для оставления на месте, также делает их устойчивыми к воздействию типичных чистящих растворителей. Вам потребуются агрессивные химические вещества-ацетон, гексан или запатентованные смеси-, а они требуют особого обращения и экологических проблем.

Если канифоль — это скальпель, а не-чистая — нож для масла, то водо-растворимый флюс — это бензопила. Он выполняет свою работу быстро, но вам лучше уважать то, с чем вы работаете.

Активаторы органических кислот в водо-растворимом флюсе-обычно гликолевом-на основе лимонной, молочной или адипиновой кислот-обеспечивают исключительные характеристики удаления оксидов и смачивания. Для сильно окисленных поверхностей, трудно-припаиваемых-металлизированных поверхностей или для процессов,-бессвинцовых, где более высокие температуры ускоряют окисление, водо-растворимый раствор часто превосходит другие варианты с большим отрывом.

Обратная сторона – обязательная, тщательная, своевременная уборка. Водорастворимые-осадки чрезвычайно гигроскопичны и вызывают сильную коррозию во влажном состоянии. Оставьте их на плате на ночь во влажной среде, и к утру вы увидите видимую коррозию. Окно очистки измеряется часами, а не днями.

Сама очистка осуществляется простой-деионизированной водой, часто с мягкими добавками поверхностно-активных веществ, в распылительных или погружных системах. Ультразвуковое перемешивание помогает удалить остатки из-под компонентов. Важнейшим фактором является тщательность. Частичная очистка на самом деле может усугубить ситуацию, поскольку загрязнения перераспределяются в труднодоступные--участки без их полного удаления.

Одно соображение, которое часто-упускают из виду: водо-растворимые остатки флюса во влажном состоянии являются электропроводными. Это означает, что перед любыми электрическими испытаниями за очисткой должна последовать полная сушка. Платы высокой-плотности со глухими переходными отверстиями или компонентами с нижними-заделками могут удерживать влагу в трудно--- местах, что требует длительных циклов сушки или вакуумной сушки.

Внедрение RoHS в 2006 году привело к фундаментальному переосмыслению химии флюсов во всей отрасли. Традиционная эвтектика олова-свинца (63/37 или 60/40) плавится при 183 градусах. SAC305-преобладающий-сплав, не содержащий свинца. Для правильной текучести требуется температура 217–220 градусов. Эта разница в 35-40 градусов проявляется во всех аспектах процесса пайки.

Более высокие температуры означают более высокую скорость окисления, что требует более активных составов флюсов, чтобы идти в ногу со временем. Но более высокие температуры также приводят к более быстрому выгоранию флюса, уменьшая защитное окно во время пайки.

Производители флюсов отреагировали изменением рецептуры, оптимизированной для более высоких температурных требований, но вероятность ошибки значительно сократилась.

Бессвинцовый-припой также смачивается медленнее, чем свинцовые альтернативы. Температура ванны припоя, время контакта и профили предварительного нагрева, которые хорошо подходят для Sn63/Pb37, приводят к холодным соединениям и недостаточному заполнению отверстий сплавами, не содержащими свинца. Активность флюса становится еще более важной для компенсации ограничений смачивания, присущих металлургии олова-серебра-меди.

Требования IPC-J-STD-001 также не стали проще. Сборки класса 3 по-прежнему требуют такой же надежности,-возможно, даже большей, поскольку соединения, не содержащие свинца,-более подвержены росту оловянных усов и термомеханической усталости. Выбор флюса для -критических сборок, не содержащих свинец-, требует пристального внимания как к немедленной производительности пайки, так и к долгосрочным остаточным свойствам.

Начните с того, что вы на самом деле паяете. Свежие платы OSP-с недавно изготовленными компонентами? Даже слабый флюс ROL0 может сработать. Устаревший инвентарь с видимыми потускнениями на выводах компонентов? Вам понадобится что-то более острое. Поверхности ENIG и иммерсионного серебра обычно паяются легче, чем поверхности из чистой меди или олова, что влияет на требования к активности флюса.

Будьте честны в отношении своей клининговой инфраструктуры. Если у вас нет встроенного водного очистителя и вы не планируете его добавлять, водо-растворимый флюс, вероятно, не подойдет вам, несмотря на его превосходное смачивание. Если ваш процесс требует очистки после-припоя для обеспечения адгезии конформного покрытия, отсутствие-очищающего флюса создает дополнительные проблемы с очисткой, которых можно было бы избежать, используя более легкоочищаемый состав.

Бытовая электроника, работающая в офисах с климат-контролем,- предъявляет совсем другие требования к надежности, чем промышленные средства управления на сталелитейном заводе или авиационное оборудование на высоте 40 000 футов. Классы IPC существуют по веским причинам. Класс 1 предоставляет больше свободы; Класс 3 требует консервативного выбора.

Никакие-чистые флюсы не требуют более строгого контроля температурного профиля, чем канифольные или водо-растворимые альтернативы. Операции ручной пайки и выборочной пайки по своей сути более разнообразны, чем процессы оплавления. Если ваш контроль процесса ограничен, более щадящий химический состав флюса снижает риск, даже если это означает добавление этапа очистки.

info-450-440

Образования белого остаткаобычно указывают на недостаточную активацию флюса или неполную очистку. Соединения никогда полностью не вступали в реакцию во время пайки, оставляя непрореагировавшие активаторы, которые впоследствии впитывают влагу и становятся видимыми. Обычно эту проблему решают более сильные растворители с механическим перемешиванием, но повторяющиеся проблемы с белыми остатками указывают на технологические проблемы, а не на простые неудачи при очистке.

Дендритный ростэто самое страшное. Ионные загрязнения плюс влага плюс приложенное напряжение эквивалентны электрохимической миграции-проводящих металлических нитей, растущих между дорожками, пока они не вызовут короткое замыкание. Это-зависимый от времени сбой, который может не проявиться в течение месяцев или лет в ходе проповеднического обслуживания. Основная причина почти всегда заключается в недостаточной очистке остатков активного флюса.

Нарушение адгезии покрытияЭто происходит, когда конформные покрытия отрываются от досок из-за загрязнения под ними. Даже остатки, «не-очищаемые» могут препятствовать адгезии покрытия, поэтому спецификации аэрокосмической отрасли обычно требуют очистки независимо от типа флюса, когда требуется конформное покрытие.

Коррозия под компонентамиособенно коварна, поскольку она невидима до тех пор, пока не произойдет функциональный сбой. Агрессивные остатки флюса, попавшие под компоненты с низким-зазором, со временем поражают клеммы и площадки. К моменту появления симптомов ущерб уже обширен.

Понимание обозначений J-STD-004B позволяет избежать значительной путаницы. Четырехзначные коды кодируют все, что вам нужно знать:

Первые две буквы обозначают состав: RO — канифоль, RE — синтетическая смола, OR — органические кислоты, IN — неорганические соединения.

Следующая буква обозначает уровень активности: L — низкий, M — умеренный, H — высокий.

Последняя цифра показывает содержание галогенидов: 0 означает, что ниже пределов обнаружения (<0.05%), 1 means detectable halides present.

Таким образом, ROL0 — это флюс-на основе канифоли, с низкой-активностью,-не содержащий галогенидов-наиболее щадящий класс. ORM1 — это флюс на основе органической-кислоты-умеренной-активности с галогенидами-значительно более агрессивный и требующий очистки.

Уровень активности примерно коррелирует с требованиями к уборке. Потоки L0 и L1 обычно квалифицируются как остаточные-на-приложениях класса 1 и 2. M0 и M1 в некоторых случаях-допустимы без очистки, в других случаях рекомендуется очистить. Флюсы уровня H-почти всегда требуют очистки независимо от состава.

Спецификации заказчика могут напрямую ссылаться на эти классификации. Утверждение типа «Используйте только флюс ROL0 или REL0» исключает 90 % доступных продуктов, но обеспечивает максимальную долгосрочную-надежность.

Флюс имеет срок годности. Особенно паста-флюс. Активаторы медленно реагируют с канифольными или смоляными носителями даже при комнатной температуре, постепенно снижая активность. Большинство производителей указывают срок хранения в холодильнике 6–12 месяцев, при комнатной температуре он короче.

Воздействие влаги особенно ухудшает состав водорастворимых-флюсов. Держите контейнеры запечатанными, когда они не используются. Загрязнение от грязных кистей или аппликаторов может привести к попаданию частиц или ионных соединений, которые влияют на эффективность или оставляют остатки.

Флюсовые ручки удобны, но имеют свои особенности. Фетровые насадки могут высыхать между использованиями, поэтому перед применением требуется грунтовка. Перекрестное-загрязнение между типами флюсов через общие аппликаторы встречается на удивление часто и на удивление проблематично.

Температура влияет на вязкость и растекаемость. Холодный флюс из холодильного хранилища может не течь должным образом. Перед использованием дайте охлажденным продуктам достичь комнатной температуры -обычно около часа для пастового флюса.

Дым канифольного флюса является общепризнанным профессиональным риском. Пары абиетиновой кислоты, выделяющиеся во время пайки, вызывают у некоторых людей респираторную сенсибилизацию, что приводит к профессиональной астме, которая может сохраняться даже после прекращения воздействия. Местная вытяжная вентиляция паяльной станции не является обязательной для производственных помещений.

Любители часто игнорируют это, потому что паяют лишь изредка, и воздействие кажется минимальным. Это, вероятно, хорошо для периодического использования, но любой, кто регулярно занимается пайкой, должен установить как минимум небольшой вентилятор, чтобы направлять пары в сторону от зоны дыхания. Лучше использовать специальные-вытяжные устройства с фильтрацией.

Водорастворимые пары флюса-могут быть особенно раздражающими из-за содержания органических кислот. В некоторых не-нечистых составах заявлено меньшее выделение дыма, хотя это значительно различается в зависимости от продукта.

Правильный флюс делает пайку легкой. Неправильный поток делает это невозможным. Все, что находится между ними, — это опыт обучения,-иногда дорогостоящий опыт обучения, когда начинаются сбои на местах. Заблаговременное выделение времени на согласование характеристик флюса с вашим конкретным процессом, компонентами и требованиями к конечному-использованию предотвращает проблемы, которые не проявляются до тех пор, пока продукт не окажется в руках клиентов, и вы не попытаетесь объяснить, почему соединения, которые выглядели идеально, внезапно выходят из строя.