Что такое флюс для волновой пайки?

Флюс для волновой пайкипредставляет собой химический агент, наносимый на печатные платы до того, как они соприкоснутся с волной расплавленного припоя, служащий для удаления оксидов металлов с паяемых поверхностей, одновременно способствуя правильному смачиванию и образованию интерметаллических соединений. Флюс состоит из активаторов, носителей и растворителей-каждый компонент выполняет отдельные термохимические функции, которые определяют, правильно ли формируется соединение или становится еще одной записью в журнале дефектов.

посмотреть больше

На каждой металлической поверхности, подвергающейся воздействию атмосферы, образуется оксидный слой. Медь окисляется. Олово окисляется. Выводы компонента, пролежавшие в этой трубке шесть месяцев на вашем складе,-определенно окислились. Окисление происходит непрерывно, начиная с того момента, как голый металл контактирует с воздухом, и ускоряется при повышенных температурах.

Припой не смачивает оксиды. Он смачивает чистый металл.

Эта фундаментальная несовместимость создает всю причину существования потока. Вы не добавляете флюс, потому что вам это предписано в какой-то спецификации. Вы добавляете его, потому что без химического вмешательства эта волна SAC305 на 260 градусов будет катиться по вашей доске, ничего не добившись. Припой скатывается, отказывается растекаться, и ваши сквозные-отверстия выглядят так, будто их пытались заполнить ртутью.

Я видел, как операторы смотрели на плохо смачиваемые соединения, обвиняя в этом загрязнение сплава, время выдержки, поток азота-во всем, кроме очевидного. Сначала проверьте покрытие флюсом. Девяносто процентов неудач смачивания связаны с недостаточным потоком, достигающим области соединения.

Флюсы на основе канифоли-доминируют в пайке волновой волной по причинам, уходящим в глубь веков. Активный ингредиент -абиетиновая кислота C19H29COOH-получена из смолы сосновой древесины путем дистилляции и очистки. Это не сложная химия. Древние мастера по металлу использовали сосновую смолу. Современная формулировка просто лучше контролирует переменные.

Абиетиновая кислота плавится при температуре около 172-175 градусов, что значительно ниже традиционной эвтектики олова-свинца при температуре 183 градуса. Время имеет значение. Вам нужна активация флюса, предшествующая контакту с припоем, на доли секунды, -достаточно продолжительные, чтобы удалить оксиды, и достаточно короткие, чтобы очищенная поверхность не окислилась повторно до прибытия припоя.

Механизм активации включает кислотно--основные реакции между карбоксильными группами и оксидами металлов:

RCOOH + CuO → RCOO-Cu + H2O

Медь связывается в растворимую в канифоли-соль. Продукты реакции растворяются в расплавленном флюсе и уносятся за пределы границы раздела. Остается чистый металл. Припой намокает.

Свинцовая-бесплатная версия изменила все в этом времени. Температура ликвидуса SAC305 составляет 217-220 градусов. Эти дополнительные 35-40 градусов означают, что ваш флюс должен оставаться химически активным дольше, прежде чем термическое разложение сделает его бесполезным. Традиционные составы канифоли, разработанные для процессов 63/37, часто неэффективны при температурах, не содержащих свинец: они исчерпали свою способность удалять оксиды еще до того, как припой прибыл.

«Нет-чистоты» не означает «без остатков». Это означает, что остаток теоретически не вызовет проблем с надежностью, если его оставить на плате.

Теоретически.

В реальности производители флюсов проводят испытания SIR при температуре 85 градусов и относительной влажности 85 % на гребенчатых моделях IPC-B-24, демонстрируя, что их остатки сохраняют сопротивление изоляции 100 МОм в течение 168 часов в контролируемых лабораторных условиях. Другой вопрос, приведет ли это к тому, что ваш продукт выдержит десять лет в моторном отсеке автомобиля или в промышленной среде с реальным загрязнением.

Никакие-чистые флюсы не содержат 1-5 % твердых частиц-в основном слабые органические кислоты с небольшим количеством канифоли или синтетической смолы. В составах намеренно жертвуют активностью ради безвредности остатков. Компромисс работает, когда ваши компоненты имеют свежие, пригодные для пайки поверхности. Это полностью терпит неудачу, когда закупочные поставки окисленных деталей производятся у того поставщика в Шэньчжэне, который хранит запасы на складе без-климатического контроля.

Каждый контрактный производитель, с которым я работал, держит под рукой водо-растворимый флюс для плат, которые никакая-чистка не позволяет правильно паять. В официальной документации процесса может быть указано, что ORL0 no-clean для всего. Реальность производственного цеха предполагает смену химикатов, когда уровень дефектов растет.

Водорастворимые-флюсы содержат органические кислоты-адипиновую, лимонную, янтарную-с уровнями активности, благодаря которым канифольные составы выглядят щадящими. Более высокое содержание кислоты агрессивно воздействует на оксиды. Смачивание происходит быстро. Заполнение отверстий улучшается. Суставы выглядят блестящими.

Остатки также достаточно агрессивны, чтобы разрушить ваш продукт.

Не в конце концов. Не теоретически. Активно коррозийный. Оставьте водо-растворимый остаток на плате с питанием на ночь и наблюдайте, как между следами растут дендриты. Ионное загрязнение создает проводящие пути за счет поглощения влаги. Далее следует электрохимическая миграция. Компоненты выходят из строя.

Водорастворимые-процессы требуют промывки. Водная очистка, обычно при температуре 140 градусов по Фаренгейту с использованием деионизированной воды, удаляет соли флюса до того, как они вызовут повреждение. Каждая доска. Каждый раз. Никаких исключений.

Этап очистки увеличивает стоимость-оборудования, очистки воды, сушки и тестирования на ионное загрязнение. Инженеры-технологи ненавидят это. Но для толстых плат с большой длиной ствола или компонентов с сильно окисленными выводами, а также в любых ситуациях, когда заполнение отверстий требует максимальной активности флюса, водо-растворимый флюс остается единственным надежным химическим составом.

IPC J-STD-004 классифицирует их как типы ORH или даже INH. «H» означает высокую активность. Система классификации существует специально для того, чтобы предупреждать людей о потенциальной коррозии.

Флюсование пеной происходит путем пропускания сжатого воздуха через пористый камень, погруженный во флюс, в результате чего образуется стоячая пена, которая контактирует с нижней стороной плиты. Этот процесс существует с 1970-х годов. Это просто, дешево и надежно при правильном обслуживании.

Он также распределяет поток неравномерно.

Пенопластовая головка разрушается при прохождении через нее досок с неровным рельефом дна. Крупные компоненты, приклеенные к стороне пайки, создают тени. Расход флюса зависит от влажности окружающей среды. Пористый камень забивается засохшим остатком, если кто-то забудет слить резервуар перед выключением.

Я провел целые смены, устраняя проблемы с пенопластом. Засорение камнями — классическое явление-, которое проявляется в уменьшении высоты пенопласта. Операторы компенсируют это увеличением давления воздуха, в результате чего образуется нестабильная пена, которая разрушается во время транспортировки платы, что приводит к появлению пятен на покрытии, которые проявляются в виде случайных пропусков пайки. Исправление требует слива, чистки, а иногда и полной замены камня. Тем временем производство останавливается.

При распылении флюса жидкий флюс распыляется через форсунки, нанося контролируемое количество именно там, где запрограммировано. Равномерность покрытия значительно улучшается. Расход флюса снижается, поскольку вы не поддерживаете резервуар с постоянно испаряющейся пеной. Параметры процесса-объем распыления, скорость перемещения, давление воздушного ножа- предсказуемо реагируют на регулировку.

Системы распыления стоят дороже. Они засоряются, если кто-то использует флюс с высоким содержанием твердых частиц без изменения графиков технического обслуживания. Но при любом объеме производства, оправдывающем капитальные затраты, распыление превосходит пену.

Новые системы ультразвукового распыления дробят поток на более мелкие капли, чем распыление с помощью воздуха-, что улучшает проникновение в труднодоступные места. Имеет ли это значение для вашей конкретной конструкции платы, полностью зависит от геометрии.

Бессвинцовый-припой не заполняет дыры, как оловянный-свинцовый припой.

Физика включает в себя поверхностное натяжение и скорость смачивания. SAC305 демонстрирует более высокое поверхностное натяжение, чем 63/37 — примерно 500 мН/м против 470 мН/м. Расплавленный сплав сопротивляется перетеканию в узкие бочки. Капиллярный подъем страдает. Верхние филе тонкие или полностью отсутствуют.

Флюс может частично компенсировать. Составы с более высокой активностью снижают эффективное поверхностное натяжение за счет лучшего удаления оксидов и улучшения капиллярного действия. Расширенный предварительный нагрев обеспечивает полное испарение летучих веществ флюса до контакта с волной, максимизируя остаточную концентрацию активатора в критический момент. Более медленные скорости конвейера увеличивают время контакта, давая припою больше возможностей для продвижения вверх.

Но есть пределы.

Платы толщиной более 0,093 дюйма с соотношением сторон более 8:1 бросают вызов даже агрессивным химическим флюсам. Длина ствола просто превышает то, что капиллярное действие может обеспечить за доступное время выдержки. Вы либо увеличиваете время контакта до тех пор, пока компоненты не начнут подвергаться термическому повреждению, либо принимаете неполное заполнение как неизбежное ограничение процесса.

Некоторые производители решают эту проблему выборочной пайкой проблемных соединений. Другие меняют геометрию колодок. Никто не нашел решения, состоящего из-только флюса, для стволов с большим-удлинением-передаточного числа из сплавов,-бессвинцовых. Физика этого не позволит.

Правила в отношении летучих органических соединений привели к изменению рецептуры флюсов во всей отрасли. Традиционные флюсы на основе спирта-выделяют пары изопропанола во время нанесения и предварительно нагревают-достаточно, чтобы вызвать проблемы с соблюдением экологических требований в юрисдикциях со строгими требованиями к качеству воздуха.

В составах,-не содержащих летучих органических соединений, в качестве растворителя-носителя используется вода. Они работают. Они также ведут себя по-разному.

Вода испаряется медленнее, чем изопропанол. Зоны предварительного нагрева требуют расширения или более высоких температур для достижения эквивалентного удаления растворителя. Более медленное высыхание влияет на распределение флюса по неровным поверхностям. Характеристики остатка изменяются, поскольку различная кинетика испарения носителей изменяет то, что остается после термического воздействия.

Переход с флюса,-на основе спирта, на флюс,-не содержащий летучих органических соединений, никогда не является заменой-. Переаттестация процесса обязательна. Любой, кто говорит вам обратное, на самом деле не пытался перейти на продукт с высокой-надежностью.

Solders

Схема классификации флюсов IPC заменила старые военные стандарты QQ-S-571 матрицей обозначений: состав (RO для канифоли, RE для смолы, OR для органических, IN для неорганических) в сочетании с уровнем активности (L/M/H для низкой/средней/высокой) и содержанием галогенидов (0 или 1).

Таким образом, ROL0 указывает на флюс-с низкой-активностью, не содержащий галогенидов-на основе канифоли. ORM1 означает органический состав, средняя активность, наличие галогенидов.

Система помогает сравнивать продукцию разных производителей. Он не говорит вам, подойдет ли конкретный флюс для вашего применения. Два флюса ROL0 от разных поставщиков могут иметь существенно разные характеристики смачивания, поскольку классификация измеряет конкретные параметры испытаний-медное зеркало, SIR, коррозию-, а не общую производительность процесса.

Используйте классификацию для первоначального скрининга. Доверяйте своим собственным квалификационным испытаниям производственные решения.

Галогенидные активаторы-обычно хлоридные или бромидные соединения, такие как хлорид диэтиламмония-значительно улучшают скорость смачивания. Они атакуют оксиды быстрее, чем альтернативы органическим кислотам. Для окисленных компонентов или отделки OSP из голой меди флюс, активированный галогенидами,-часто является решающим фактором между приемлемым выходом процесса и постоянной доработкой.

Остатки остаются ионными. Под воздействием влажности остатки галогенидов поглощают влагу и становятся проводящими. Электрохимическая миграция ускоряется. Инженеры по надежности документируют неисправности на местах, связанные с ростом дендритов спустя годы после сборки.

Приложения с высокой-надежностью-аэрокосмической, медицинской и военной сферой-часто полностью запрещают использование галоидных-содержащих флюсов независимо от класса активности. Бытовая электроника терпит галогениды, поскольку срок службы продукции не исчисляется десятилетиями, а в рабочей среде редко сочетается высокая влажность с постоянным питанием.

Выбор предполагает явное принятие риска. Галогениды улучшают технологичность за счет долговременной-потенциальной коррозии. Никакие-чистые составы с галогенидами (обозначения L1, M1) не требуют особого внимания, поскольку остаток предназначен для того, чтобы оставаться на доске неопределенное время.

Жидкий флюс поступает от поставщиков с указанным содержанием твердых веществ,-возможно, 2 % для распыляемой жидкости, не-очищаемой, 15 % для пенной канифоли. В процессе использования растворитель испаряется. Плотность растёт. Активность на единицу объема увеличивается.

Без мониторинга поток, который начинался с 2% твердых частиц, постепенно приближается к 3% или 4%. Объемы внесения остаются постоянными, поскольку никто не менял настройки распыления. Советы получают значительно больше активного материала, чем было предусмотрено в процессе. Уровни остатков превышают ожидания. Соблюдение SIR становится сомнительным.

При каждой операции пайки волной необходимо ежедневно измерять плотность флюса. Рефрактометры работают, хотя специальные измерители плотности потока обеспечивают более высокую точность. Измерение занимает тридцать секунд. Альтернативой является обнаружение в ходе аудита квалификации клиентов того, что ваш процесс вышел за пределы спецификации шесть месяцев назад.

Флюс на основе канифоли- содержит соединения с сопряженными двойными связями, склонными к окислительной полимеризации. Храните его в тепле, подвергайте воздействию света, оставляйте контейнеры незапечатанными-флюс портится. Вязкость увеличивается. Производительность смачивания падает. То, что работало в прошлом месяце, сегодня терпит неудачу.

Производители указывают температуру хранения 15-25 градусов. Они имеют это в виду.

Я видел, как производственные линии устраняли фантомные дефекты пайки в течение нескольких недель, прежде чем кто-то проверил, хранятся ли бочки с флюсом рядом с выпускным каналом предварительного нагрева. Флюс по существу сварился во время хранения. Свежий материал из той же партии показал себя нормально.

Выбор флюса включает в себя баланс активности и проблем с остатками, подбор химического состава в соответствии с паяемостью вашего конкретного компонента и отделкой платы, а затем проверку производительности посредством реальных производственных испытаний. Спецификации технических данных служат отправной точкой, а не гарантиями. Система классификации предлагает словарь для обсуждения вариантов, а не прогнозов успеха.

Фундаментальная задача -удаления оксидов, чтобы припой смачивал металл-не изменилась с тех пор, как древние мастера обнаружили, что сосновая смола помогает соединять бронзу. Современные рецептуры оптимизированы с учетом современных ограничений:-бессвинцовая температура, экологические нормы, геометрия с высокой-плотностью, требования к надежности, продлевающие срок службы продукта.

Если пайка не удалась, сначала проверьте флюс. Проверьте покрытие, проверьте активацию, проверьте, действительно ли химический состав соответствует условиям вашего процесса. Ответ обычно проще, чем кто-либо хочет признать.