Секреты селективной пайки: от выбора сопел до контроля потока припоя

При селективной пайке используется сопло для нанесения припоя на компоненты на нижней стороне печатных плат (ПП). Это сопло можно перемещать для выполнения точечной пайки (нанесение припоя на один вывод) или протягивать по траектории (нанесение припоя на несколько компонентов за одно движение). Методология селективной пайки позволяет адаптировать процесс к конкретным соединениям и позволяет использовать несколько типов сопел, если это необходимо на печатной плате.

Сопла могут различаться по размеру (внутреннему диаметру) и форме (что делает их подходящими для разных типов процессов). Все это диктуется конструкцией платы и требованиями к процессу. Выбор типа сопла зависит от паяемого продукта и желаемого времени цикла.

Системы селективной пайки с ручной загрузкой должны быть запрограммированы для выполнения пайки всей ПП. Однако многие линейные системы спроектированы как модульные, что позволяет использовать несколько паяльных станций с различными условиями и соплами для достижения минимального времени цикла.

Селективная пайка обеспечивает множество других преимуществ по сравнению с пайкой волной и ручной пайкой, таких как:

• Минимальный тепловой удар.
• Более низкие эксплуатационные расходы, чем при пайке волной.
• Работа в инертной среде для минимизации дефектов пайки, снижения образования шлака и улучшения характеристик смачивания (подробнее ниже).
• Применимость к мелко- и крупносерийному производству.
• Повторяемость процесса и паяных соединений.
• Требуется меньше операторов.

Основные характеристики сопел

Чтобы обеспечить контролируемое нанесение припоя на протяжении всего процесса, припой должен смачивать (равномерно обтекать) сопло. Смачиваемость — это свойство жидкостей образовывать на поверхности твёрдых тел слой, обусловленное взаимодействием между поверхностной энергией твёрдого тела и поверхностным натяжением жидкости. Поверхностная энергия, также известная как поверхностное натяжение в случае жидкостей, является результатом относительной прочности взаимодействия молекул материала и уровня неуравновешенных сил на поверхности. Существует множество методов для характеристики поверхностной энергии в зависимости от компонентов поверхностного взаимодействия, которые можно измерить, однако наиболее распространенным является измерение угла контакта неподвижной (сидячей) капли.

Когда на каплю жидкости не действуют никакие другие силы (т. е. нет контакта с другими поверхностями и нет сопротивления воздуха из-за движения), она образует сферу, поскольку ее собственное поверхностное натяжение втягивает ее в эту форму, поскольку это минимально возможная форма энергии. При контакте с твердым телом капля деформируется и растекается. Величина растекания и угол раздела между жидкостью и твердым телом являются произведением соотношения между поверхностным натяжением жидкости и поверхностной энергией твердого тела. На рисунке показаны сценарии с различными уровнями смачивания. Когда поверхностная энергия твердого тела больше поверхностного натяжения жидкости, капля растекается больше и имеет меньший угол контакта.

Примеры различных углов контакта между каплей (закрашено красным) и твердым телом (синим): (a) Угол контакта 0°, демонстрирующий идеальное смачивание. (b) Угол контакта менее 90° для смачивающей поверхности. (c) Угол контакта более 90° для гидрофобной поверхности.

Обычно статическая система предпочтительнее для исследований смачиваемости, но в случае сопла селективной пайки мы имеем дело с динамическим процессом. В этом случае смачивание припоем кончика сопла поддерживает стабильную радиальную волну и обеспечивает контроль во время процесса пайки за счет поддержания стабильной формы купола для потока припоя.

Пример равномерной смачиваемости спола. На рисунке показано хорошо смачиваемое сопло, в котором припой прилип ко всей внешней поверхности сопла и, следовательно, имеет стабильную радиальную волну. Это позволяет хорошо контролировать процесс селективной пайки.

Пример не равномерной смачиваемости сопла. В случае, когда припой плохо смачивает поверхность материала, поверхностной энергии сопла или другого смачиваемого материала недостаточно для преодоления поверхностной энергии припоя. В результате припой будет образовывать единый поток, как показано на рисунке . Статическая смачиваемость этого сопла создаст большой угол контакта, как показано на рисунке 2 (c).

Для смачивания между жидким припоем и соплом необходимо наличие чистой поверхности с минимальным количеством поверхностных оксидов на сопле. Наличие оксидов на поверхности препятствует смачиванию припоем, выступая в качестве барьера; кроме того, поверхностная энергия оксидов слишком мала для смачивания. Флюс используется для удаления оксидов и создания/поддержания этого чистой поверхности до и во время работы. После очистки химическая реакция между припоем и соплом определяет степень смачивания, но это взаимодействие также ограничивает срок службы сопла. Это вызывает износ сопла, и металл вымывается в ванну с припоем. Воздействие припоя и последующая реакция сами по себе не вызывают значительного износа. Поток припоя приводит к увеличению износа в результате синергетического эффекта, который предполагает, что в основе механизма лежит сложный процесс коррозии-эрозии.

В связи с этим, для обеспечения стабильного потока во время процесса селективной пайки, а также для поддержания баланса между коррозией и увлажнением, необходимо использовать форсунки с хорошей смачиваемостью.

Для достижения этой цели необходимо тщательно подбирать материалы. Например, материалы с высокой смачиваемостью, такие как медь, имеют высокую скорость растворения и могут быть полностью вымыты из ванны в течение нескольких часов. Это демонстрирует связь между процессом износа и смачиваемостью.

О флюсах: плюсы и минусы

Одним из ключевых аспектов флюса является его активность, которая определяет способность флюса образовывать качественное паяное соединение. Чем выше активность флюса, тем быстрее и полнее он смачивает вывод, отверстие и площадку, обеспечивая прочное паяное соединение. Канифоль с высоким содержанием твёрдых частиц, а также водорастворимые флюсы, известны своими превосходными паяльными свойствами, благодаря высокой активности и наличию большого количества химических веществ, обеспечивающих их устойчивость в процессе пайки.

Флюсы с низким содержанием твёрдых частиц, а также безотмывочные флюсы не обеспечивают такое же эффективное удаление оксидов, как водорастворимые флюсы с высоким содержанием канифоли. Кроме того, они не обладают химическими свойствами, позволяющими им сохранять свои свойства в течение всего процесса пайки, и, как следствие, имеют значительно меньшее «рабочее окно».

Водорастворимый флюс

Водорастворимые флюсы широко используются для пайки и обеспечивают высокое качество соединения. Они обладают высокой активностью, что позволяет эффективно очищать паяемые металлы и предотвращать их окисление в процессе пайки. Однако эти химические вещества обладают высокой агрессивностью, едкостью и стойкостью, что может привести к нежелательным последствиям после пайки.

Канифольный флюс

Канифольные флюсы, обеспечивают высокое качество пайки, обладают способностью очищать паяемые металлы и сохраняют свои свойства в течение всего процесса. Однако они не обладают такой же склонностью к коррозии и повреждению продукта, как водорастворимые флюсы. Канифоль действует как защитный барьер во время пайки и после неё, захватывая ионные остатки и предотвращая их подвижность и разрушительное воздействие.

Выбор правильного флюса – типы и их преимущества / недостатки

Хотя этот аспект часто упускается из виду, выбор флюса для процесса селективной пайки оказывает значительное влияние на качество паяного соединения, долговечность и общую эффективность данного метода. В данной статье рассматриваются ключевые факторы, определяющие характеристики общедоступных флюсов для селективной пайки, а также их влияние на качество пайки, надёжность и производительность оборудования.

Флюсы, по сути, делятся на три основные категории или типа флюсов:

• Флюсы с низким содержанием твердых частиц/безотмывочные
• Канифольные флюсы (с высоким содержанием твердых частиц)
• Водорастворимые флюсы

В контексте обсуждения флюсов, используемых в процессе селективной пайки, как правило, подразумеваются флюсы с низким содержанием твёрдых частиц или без необходимости отмывки. Этот тип флюса наиболее часто применяется в процессе селективной пайки.

Если компания использует канифольные или водорастворимые флюсы в процессе селективной пайки, она, как правило, имеет разрешение на их применение от заказчика или по требованию отраслевых стандартов. Однако такие продукты обычно имеют более низкую надёжность по сравнению с современными аналогами. С точки зрения производительности оба типа флюсов обеспечивают высокое качество пайки. Однако большинство компаний, использующих селективную пайку, предпочитают избегать их из-за необходимости внедрения дорогостоящих процессов очистки. Преимуществом селективной пайки является возможность выборочного нанесения флюса, что позволяет избежать необходимости последующей очистки.

Обратите внимание: если в процессе селективной пайки предполагается использование флюса на основе канифоли или воды, рекомендуется проконсультироваться с производителем оборудования. Это позволит определить, имеются ли подходящие варианты или материалы для работы с указанными типами флюсов.

Флюсы с низким содержанием твердых частиц/безотмывочные делятся на несколько других категорий:

·        На спиртовой основе, содержащие канифоль или смолу;

·        На спиртовой основе, не содержащие канифоль или смолу;

·        На водной основе, не содержащие канифоль или смолу (без летучих органических соединений, далее ЛОС); (в редких случаях будут содержать канифоль или смолу).

В данной категории представлено множество производителей и широкий ассортимент флюсов. Как же сделать выбор? Даже если ваши клиенты, руководство компании или производственные процессы определяют, какой флюс использовать, важно понимать, подходит ли выбранный флюс или затрудняет процесс селективной пайки.

Флюсы с низким содержанием твёрдых частиц или безотмывочные в целом обладают менее активной химической активностью и сложнее в использовании для пайки по сравнению с канифолью или водорастворимыми флюсами. Некоторые флюсы предназначены для решения специфических задач, которые могут не возникать в вашем случае, в то время как другие могут быть неэффективны в областях, представляющих для вас интерес. Тип продукции, которую вы производите, может влиять на выбор флюса, подходящего для вашего процесса. Или разнообразие производимой вами продукции может потребовать использования различных флюсов для разных видов продукции.

Одна из проблем заключается в том, что многие флюсы, используемые при селективной пайке, изначально были разработаны для пайки волной припоя. Независимо от продукта или области применения, процесс пайки волной припоя был относительно стандартизирован в отрасли, что облегчало адаптацию флюсов к нему. Только недавно производители флюсов начали разрабатывать специальные флюсы для селективной пайки, осознав, что это совершенно другой процесс, требующий иного подхода.

Однако среди различных вариантов, флюсы с низким содержанием твёрдых веществ / не требующие отмывки, на спиртовой основе, обычно являются оптимальным выбором для процесса селективной пайки. Они хорошо взаимодействуют с различными покрытиями поверхностей, имеют достаточно широкий диапазон рабочих температур, совместимы как со свинцовыми, так и с бессвинцовыми припоями, а также обладают свойством полного выгорания, оставляя после себя безопасные остатки.

Понимание типов флюса

Существует три основных параметра, определяющих характеристики флюса и необходимость очистки плат после пайки. Однако допустимые значения этих параметров могут варьироваться в зависимости от требований к продукту.

1. Активность.
2. Содержание твердых частиц.
3. Тип материала.

С учетом этого, три основных типа флюсов можно классифицировать следующим образом:

• Флюсы с низким содержанием твердых частиц/безотмывочные (содержание твердых частиц 2%-8%)

1. На основе растворителя — с канифолью/смолой или без них.
2. На водной основе (без ЛОС) — без канифоли/смолы (редкие исключения).
3. Низкая или средняя активность.
4. «Короткий срок службы» (в процессе).
5. Может требоваться или не требоваться отмывка.

• Канифольные флюсы

1. Содержание твердых частиц 15%-45%.
2. На основе растворителя.
3. Могут быть низкоактивными, но обычно от средней до высокой активности.
4. «Длительный срок службы» (в процессе).
5. Как правило, требуется отмывка.

• Водорастворимые флюсы

1. Как правило, с высоким содержанием твердых частиц 11%-35%.
2. На основе растворителя (иногда на водной основе).
3. Всегда высокоактивные.
4. Очень «Длительный срок службы» (в процесс).
5. Всегда требуется отмывка.

Активность и содержание твёрдых частиц являются двумя основными характеристиками, которые определяют необходимость очистки изделия от остатков флюса после пайки. В зависимости от типа материала и содержания твёрдых частиц флюсы могут разрушаться, как показано на древовидной диаграмме ниже.

В таблице ниже представлены классификации флюсов на основе их характеристик. Флюсы разделены на группы в зависимости от содержания твердых частиц, наличия канифоли и типа растворителя. Также используется четырехзначное обозначение, начинающееся с RO, RE, OR и т. д.

IPC ввела эту систему обозначений для более точной классификации флюсов и определения их активности как низкой, средней или высокой на основе испытаний, описанных в IPC-J-STD-004. Все производители флюсов проводят эти испытания и присваивают каждому флюсу соответствующее обозначение. Как применяется обозначение, показано в таблице ниже.

Производители флюсов включают соответствующие обозначения в технические паспорта для каждого флюса. Однако в большинстве случаев флюсы идентифицируются не только по этим обозначениям. Большинство флюсов по-прежнему называют флюсами с низким содержанием твёрдых частиц / безотмывочными, канифольными и водорастворимыми. Обозначения сами по себе не дают точного представления о типе флюса.

Например, ROL1 может быть либо Full Rosin, либо No-Clean с некоторым количеством канифоли. ORM0 может быть No-Clean на спиртовой основе, No-Clean на водной основе (без ЛОС), стандартным водорастворимым или водорастворимым на водной основе.

Информация, содержащаяся в технических паспортах, в частности, данные о содержании твёрдых частиц и описание флюса, должна дать вам представление о типе используемого флюса. Однако для определения растворителя, который обычно представляет собой спирт или воду, возможно, потребуется обратиться к производителю или MSDS. Если флюс содержит канифоль, можно с уверенностью утверждать, что он на спиртовой основе, поскольку канифоль не растворима в воде.