Принцип работы паяльной пасты?

Если вы когда-нибудь задумывались, почему эти крошечные чипы остаются приклеенными к материнской плате вашего телефона, а не болтаются, как мелочь,паяльная пастаэто твой ответ. Это один из тех материалов, который делает гораздо больше, чем люди думают.

По своей сути паяльная паста представляет собой серую, слегка песчанистую смесь. Думайте об этом как об очень точной зубной пасте, сделанной из металла. У вас есть эти микроскопические сферы припоя,-обычно диаметром от 20 до 50 микронов,-подвешенные в липком флюсе. В большинстве составов порошок составляет около 85-90% по массе.

Сам сплав? Вот тут-то все становится интереснее, и, честно говоря, именно здесь я мог бы говорить часами. Традиционный оловянный-свинец (SnPb) был любимцем промышленности на протяжении десятилетий. Эвтектический 63/37 SnPb плавится ровно при 183 градусах с нулевой вязкостью. Чисто, предсказуемо, приятно работать. Затем в 2006 году появился RoHS, и мир электроники начал искать альтернативы, не содержащие свинца, такие как SAC305 (96,5% олова, 3% серебра, 0,5% меди), для которого требуется более высокая температура оплавления, около 217 градусов.

Но, честно говоря, металлическая часть здесь не является звездой шоу.

картина

Вот что мне потребовалось слишком много времени, чтобы полностью оценить: припой не прилипает к металлу. Он прилипает кчистыйметалл. А чистого металла при высокой температуре на открытом воздухе практически не существует.

Медь окисляется. Быстрый. В тот момент, когда вы его нагреваете, на блестящей поверхности начинает образовываться оксид меди, а оксид меди совершенно не пригоден для пайки. Оксиды олова образуются на самих шариках припоя. Все постоянно пытается ржаветь, разъедать, окисляться-как бы вы это ни называли.

Именно здесь поток зарабатывает свою зарплату.

Компонент флюса в паяльной пасте исполняет откровенно впечатляющий химический танец:

Растворение оксида

Большинство флюсов содержат органические кислоты-абиетиновую кислоту в составах на основе канифоли- или более агрессивные галогенидные соединения для стойких оксидных слоев. При нагревании эти кислоты химически воздействуют на пленки оксидов металлов, превращая их в растворимые соли металлов, которые вымываются из области соединения. Чистый металл, лежащий в основе, раскрывается кратко и драгоценно.

Кислородный барьер

Жидкий флюс покрывает открытые металлические поверхности, как защитное одеяло. Он физически предотвращает контакт атмосферного кислорода с горячим металлом и его повторное-окисление в критические секунды, когда необходимо смачивание.

Модификация поверхностного натяжения

Этот тонкий, но важный-флюс снижает поверхностное натяжение на границе раздела жидкий припой/металл. Без него расплавленный припой скапливался бы на площадке, как вода на вощеной машине. С его помощью припой растекается, смачивается, прилипает.

Существуют различные химические флюсы,-не-чистые, водорастворимые-мягко активированные канифолью (RMA)-, но все они выполняют эти основные функции. Выбор зависит от вашего приложения и от того, хотите ли вы потом очистить плату. Некоторые оставляют остатки, которые выглядят ужасно, но электрически безвредны. Другие активно разъедают и их обязательно нужно смывать.

Итак, на контактные площадки печатной платы нанесена паста, а компоненты размещены сверху. И что теперь? Сборка проходит через печь оплавления, и именно здесь физика и химия взаимодействуют способами, которые до сих пор меня очаровывают.

Разогреть

Плата имеет температуру около комнатной. Ударьте холодную сборку температурой 250 градусов, и вы расколете компоненты, выскочите повсюду шарики припоя и потенциально расслаите саму плату. Не хорошо.

Вместо этого: нежное согревание. Обычно около 1-3 градуса в секунду. Цель — довести все до 150 градусов без драматизма. На этом этапе также начинается испарение растворителей во флюсе — вам нужно, чтобы они ушли до того, как вы достигнете пиковой температуры, иначе вы получите пустоты и разбрызгивание.

Замочить

Это фаза выравнивания. Держите все около 150-200 градусов в течение 60-120 секунд. Цель? Термическая однородность. Тепловая масса BGA не похожа на массу резистора 0402. Дайте им время достичь одинаковой температуры, прежде чем бросать их вместе в зону оплавления.

Кроме того, и это важно,-вымачивание активирует флюс. Эти органические кислоты становятся активными при повышенных температурах. Слишком короткая выдержка и оксиды остаются. Слишком долго, и вы исчерпаете флюс еще до начала оплавления. Дефекты «голова-в-подушке» часто возникают именно здесь.

Зона перекомпоновки

Теперь готовим. Температура быстро поднимается выше точки плавления сплава-, для сплавов SAC это 230–250 градусов. Это время над ликвидусом, или TAL, и оно обычно составляет 30-60 секунд.

Расплавленный припой смачивает открытые поверхности контактных площадок и клеммы компонентов. Поверхностное натяжение придает жидкому металлу идеальную форму галтели. Здесь происходит металлургическое соединение-атомы олова фактически диффундируют в поверхность медной площадки, образуя тонкий слой интерметаллического соединения (обычно Cu6Sn5), который фиксирует соединение. Без этого интерметаллида припой просто сидит на меди, а не связан с ней.

Пиковая температура имеет огромное значение. Слишком низкое и смачивание неполное. Слишком высокое значение приведет к повреждению компонентов, ускорению интерметаллидного роста, потенциальному выгоранию остатков флюса в необратимые некрасивые пятна.

Охлаждение

Быстрое охлаждение создает мелкозернистую структуру в затвердевшем припое,-обычно предпочитаемую из-за механической прочности. Но «быстро» не значит «мгновенно». Типично около 3-4 градусов в секунду. Если это произойдет быстрее, вы рискуете получить термический удар на стороне охлаждения.

Я хочу остановиться на смачивании, потому что в этом действительно вся суть.

Когда припой плавится и флюс выполнил свою работу по удалению оксидов, жидкий металл должен растекаться по поверхности, а не скатываться в комок. Это происходит из-за межатомного притяжения между припоем и основным металлом. Поверхности из чистых элементарных металлов обладают высокой поверхностной энергией-онихотетьсвязать себя с чем-л. Окисленные поверхности не обладают такой энергией.

Хорошее смачивание означает, что угол контакта между припоем и поверхностью площадки небольшой.-Припой широко растекается, образует мягкий мениск и стекает вверх по выводу компонента. Плохое смачивание выглядит так, будто припой сидит каплей и почти ничего не касается.

Промышленность действительно оценивает эти вещи. Стандарты IPC определяют, как выглядит «приемлемое», «целевое» и «дефектное». Это более строго, чем вы ожидаете.

Надгробие – это классика. Один конец небольшого пассивного компонента смачивается лучше, чем другой, поэтому, когда припой плавится, поверхностное натяжение с одной стороны увеличивается сильнее. Компонент стоит прямо, как надгробие. Это происходит постоянно с 0402 и 0201, если конструкция вашей колодки или объем пасты не сбалансированы.

Пустоты. Воздух задерживается внутри суставов. Снижает тепло- и электропроводность, ослабляет механическую прочность. Часто это связано с выделением газа из флюса, который не может выйти до затвердевания припоя.

Припой шариков. По плате разбросаны маленькие шарики припоя, ни к чему не прикрепленные. Обычно из-за разбрызгивания пасты во время оплавления, если растворители не полностью испарились при предварительном нагреве, или из-за чрезмерного объема пасты во время трафаретной печати.

Голова-в-подушке. Шарик BGA размягчается, но не полностью сливается с слоем пасты. Вы получаете то, что выглядит как соединение, но это не так. Ужасно с точки зрения надежности.

Собственно, я должен упомянуть печать. Паста должна каким-то образом попасть на контактные площадки, и в производстве SMT это трафаретная печать-лазерной-вырезанной металлического листа с отверстиями, соответствующими каждой контактной площадке. Ракель проталкивает пасту через отверстия. Просто в концепции, абсолютно привередлив на практике.

Конструкция апертуры влияет на то, как паста выходит из трафарета. Слишком-отверстия слишком малы по отношению к толщине трафарета, что приводит к плохому высвобождению. Соотношения сторон (ширина к толщине) и соотношения площадей (площадь апертуры к площади боковой стенки) тщательно рассчитываются. 0.66. Минимальное соотношение площадей — это общепринятое эмпирическое правило.

Реология пасты также имеет значение. Материал должен быть псевдопластичным-он течет при разрезании ракелем, но сохраняет форму после нанесения. Неправильная вязкость – либо просадка (паста растекается по соседним колодкам), либо недостаточный налет.

САК-сплавы

Со сплавами SAC работать сложнее, чем с традиционным оловянно-свинцовым-свинцом. Более высокие температуры плавления означают большую термическую нагрузку на компоненты. Поведение при смачивании менее щадящее. Интерметаллические слои растут по-разному. Виды отказов надежности изменились.

Но таков мир сейчас. RoHS не исчезнет. Производители потратили два десятилетия на оптимизацию бессвинцовых-технологий, и современные рецептуры SAC достаточно надежны. Просто другой.

Существуют низко-альтернативные сплавы на основе-висмута-, которые плавятся при температуре около 138 градусов, -полезные для термочувствительных-сборок или для снижения затрат на электроэнергию. У них есть свои проблемы, связанные с механической хрупкостью, но это совсем другой разговор.

Электрическая непрерывность. Механическая прочность. Долгосрочная-надежность при термоциклировании, вибрации и влажности.

Интерметаллический слой достаточно толстый, чтобы доказать наличие связи, но достаточно тонкий, чтобы не стать хрупким. Форма галтели эффективно распределяет нагрузку. Отсутствие пустот, мешающих тепловым путям. Отсутствие загрязнений, ослабляющих адгезию.

Честно говоря, есть и эстетическая составляющая, хотя никто не хочет этого признавать. Красивое паяное соединение,-блестящее (или матовое, с SAC), однородное, гладкое-обычно свидетельствует о хорошем процессе. Некрасивые суставы часто указывают на проблемы, даже если они технически проходят.

Некоторые производственные линии оплавляются в атмосфере азота, а не воздуха. Более низкие уровни кислорода означают меньшее окисление во время процесса, что означает, что более слабые составы флюсов могут обеспечить хорошее смачивание. Меньше остатков. Более блестящие суставы.

Компромисс – стоимость и сложность. Азот не бесплатен. Но для сложных сборок или при использовании мягких, не-флюсов контролируемая атмосфера может иметь решающее значение.

Паяльная паста работает, потому что она доставляет припой туда, где это необходимо, временно удерживает компоненты на месте и -за счет своего флюсового компонента-создает химические условия для фактического соединения металлов-с-металлами. Порошок поставляет соединительный материал. Флюс устраняет препятствия для смачивания. Процесс оплавления обеспечивает тепловую энергию, чтобы все это произошло.

Это скоординированный химический и физический процесс, происходящий примерно за четыре минуты миллиарды раз в день в электронной промышленности. А когда все работает правильно, вы этого вообще не замечаете-именно так и должно быть.

Иногда самые важные материалы — это те, о которых вы никогда не думаете. Паяльная паста такая. Он незаметно выполняет свою работу бесчисленное количество раз на каждом вашем устройстве.