Материалы для поверхностного монтажа - основные виды

Чтобы разобраться, какие материалы необходимы для сборки печатных плат, необходимо вспомнить весь технологический процесс сборки.

Этот процесс принципиально разный в случае монтажа на поверхность и выводного монтажа. При поверхностном монтаже процесс сборки начинается с нанесения паяльной пасты, хотя в некоторых случаях, особенно при безотмывочном процессе, производится очистка плат перед монтажом. Паяльную пасту можно наносить из шприца дозатором или с помощью принтера через трафарет, а на самых «продвинутых» производствах используется каплеструйная печать. Можно сказать, что тех процесс зависит в первую очередь от имеющегося на предприятии оборудования, объема работ и наличия финансов.

Следующим этапом на плату расставляются элементы автоматически, с помощью полуавтомата или вручную, а затем паста оплавляется в печи. Если есть выводные компоненты, то их допаивают либо вручную, либо на установке селективной пайки. В этом процессе нам никак не обойтись без флюса и припоя, причем флюсы и припой используются разные для ручного монтажа и для селективной пайки. После этого, если процесс предусматривает отмывку, платы надо очистить от остатков флюса. Затем собранное изделие надо проверить: для бытовой техники вполне достаточно функционального контроля, а для изделий повышенной надежности проводится целый ряд испытаний для выявления и устранения скрытых дефектов. Поскольку материалы на этой стадии почти никогда не используются, то ее мы рассматривать подробнее не будем. При обнаружении дефектов необходимо делать ремонт и доработки, т.е. опять необходимы флюс и припой. Дальше следует очистка и контроль, после чего полностью готовое изделия собираются и отгружаются заказчику.

Технология поверхностного монтажа используется очень часто, но далеко не везде. На многих предприятиях существует огромное количество изделий с выводным монтажом, у многих используются установки пайки волной, поэтому на этой технологии тоже надо остановится. В случае монтажа выводных компонентов происходит формовка компонентов, установка их на плату и запайка либо волной припоя, либо вручную. Для пайки волной используется припой в брусках, который загружают в ванну и расплавляют, антиоксидант для припоя и, конечно же, флюс. Для ручного монтажа используется флюс и проволочный припой. После установки компонентов в этом случае также следует отмывка, контроль и, при необходимости, ремонт.

Итак, мы выяснили, что основные типы материалов, используемых на предприятиях- изготовителях электроники, это

• Паяльная паста
• Припой
• Флюс
• Отмывочная жидкость

Теперь о них подробно и поговорим, а заодно попробуем разобраться, как их выбирать.

1. Паяльная паста

Паяльных паст существует огромное количество, причем различаются они по составу припоя, содержанию металлической составляющей, типу флюса и составу реологических добавок.

Как правило, в пастах содержится 80 – 95 % порошка припоя и по составу припоя они обычно делятся на свинцовые и бессвинцовые.

Если изделия используются на внутреннем рынке, то можно использовать традиционный свинцовый процесс, где используются пасты оловянно-свинцовые Sn63 Pb37 или с содержанием серебра Sn62 Pb36 Ag2. Они плавятся при сравнительно невысокой температуре 183 (179 ºС), давно изучены и надежны. А вот для тех, кто поставляет свою продукцию за рубеж, обязательно использование бессвинцовых паст и припоев. Для бессвинцовых процессов, как правило, используются так называемые SAC сплавы, содержащие олово, серебро и медь, например Sn95.5 Ag3.8 Cu0.7 (SAC 387) или Sn96.5 Ag3.0 Cu0.5 (SAC 305) с температурой плавления 217ºС. При бессвинцовом процессе очень важно помнить о том, что компоненты должны выдерживать более высокую температуру пайки, необходимо тщательно подобрать термопрофиль и при покупке материалов обращать внимание на то, чтобы они подходили для бессвинцовых процессов. Также надо иметь в виду, что для бессвинцовых процессов используются совсем другие флюсы и другие связующие для паст и просто пропаять обычную пасту по бессвинцовому профилю не всегда получится.

Помимо состава припоя, очень важно помнить, что пасты различаются по типу флюса.

Флюсы в пастах могут быть органические (OR) – они содержат органические кислоты и обеспечивают прекрасную пайку вследствие отличной флюсующей способности, но после процесса их надо обязательно полностью отмыть, так как остатки таких флюсов заметно уменьшают коррозионную стойкость и сопротивление поверхностной изоляции изделий. Но использование таких паст существенно удешевляет процесс, так как отмывка производится водой с добавлением омыляющего раствора. Важно отметить, что для водосмываемых паст необходимо создавать термопрофиль типа нагрев-пик. Так как выдержка, необходимая для активации флюса и испарения растворителя здесь не нужна, даже наоборот, она может привести к нежелательным последствиям.

Следующий тип флюса – канифольный (RO). Так как сама канифоль имеет слабые флюсующие свойства, то как правило, в такой флюс добавлен активатор – органические кислоты, улучшающие способность флюса удалять окисную пленку с паяемой поверхности. Если изделие будет использоваться не в бытовом приборе, а на улице или в изделии спец. назначения, то и этот флюс должен быть вымыт. Но тут дешевой водой уже не отделаешься. Остатки канифольных флюсов удаляются специальными жидкостями. Пайка такими флюсами достаточно надежна и привычна.

Еще один тип флюса -  синтетический (RE). В синтетических флюсах используются фенольные, полиэфирные и другие синтетические смолы с заданным массово-молекулярным распределением, что позволяет регулировать процесс активации и поликонденсации, и , следовательно, получать остатки с заданными свойствами (пластичность, механическая прочность, теплостойкость, влагостойкость и др.). Флюсы данного  типа позволяют применять влагозащитные покрытия без удаления остатков после пайки. Однако остатки таких флюсов будут тяжело удаляться в процессе отмывки.

Последние 15 лет на рынке появились материалы с флюсом, не требующим отмывки (No-clean). Они разработаны таким образом, чтобы проявлять высокую активность в процессе пайки, а затем образовывать некоррозионные остатки. Этих остатков совсем не много, они не заметны, не портят внешний вид изделий и они никак не влияют на изделия, которые используются в обычных условиях. Даже больше, зачастую они образуют вокруг паяного соединения прочную нерастворимую пленку, которая предохраняет пайку от окисления и частично выполняет функцию влагозащитного покрытия.

Вымыть остатки таких флюсов не всегда возможно, но если они все-таки моются, то для очистки надо использовать специальные отмывочные жидкости (например таких как Аквен-12, Зестрон ФА, Вигон US).

Состав реологических добавок будет влиять на такие свойства пасты как срок и условия хранения, клейкость и легкость отмывки.

2. Флюсы для пайки

Одну из классификаций флюсов мы рассмотрели выше. Также флюсы можно классифицировать по тому, где этот они  будут использоваться. по данному признаку все паяльные флюсы можно разделить на 2 класса:

· Флюсы для ручного монтажа

· Флюсы для автоматического монтажа

Дело в том, что, выполняя основную функцию очищения паяемых поверхностей от оксидной пленки и предохранения этих поверхностей от дальнейшего окисления, флюсы для ручного монтажа имеют еще одну очень важную функцию – они обеспечивают равномерную теплопередачу. Во флюсах для машинной пайки равномерный нагрев и теплопередача обеспечивается самим оборудованием, а вот в ручном монтаже без помощи флюса не обойтись, поэтому при выборе флюса для ручного монтажа необходимо иметь в виду, что хорошую теплопередачу обеспечивают только флюсы с высоким содержанием твердых веществ или флюс-гели. При пайке волной припоя или же при селективной пайке высокое содержание твердых веществ, наоборот, вредит. Платы получаются слишком грязными, пачкается оборудование и требуется частая коррекция флюса.

Разобравшись с тем, для чего Вам нужен флюс, надо бы выбрать еще и каким он должен быть – канифольным, органическим (водосмываемым) или синтетическим (как правило, это флюсы no-clean). При выборе нужно учитывать, где Ваше изделие будет эксплуатироваться и нужна ли отмывка. Если отмывка нужна, то выбирать надо из водосмываемых флюсов и флюсов на канифольной основе. Если же нет, то, безусловно, надо выбирать флюсы no-clean. При выборе материалов надо не забывать, чтобы материалы «дружили» между собой, т.е. были совместимы. Особенно это важно для no-clean. Т.е. при покупке надо подбирать флюс, припой, пасту, которые можно использовать совместно!!! Некоторые производители выбирают no-clean материалы из соображений их малой активности, но вот, к сожалению, многие из них потом почти невозможно смыть. Поэтому прежде чем начать использовать флюсы no-clean в процессе с последующей отмывкой, необходимо провести испытания на возможность удаления остатков флюса.

Необходимо сказать и о флюс-гелях, часто применяемых для ручных доработок. Так как они не растекаются по плате и можно весьма аккуратно исправить пайку, они обеспечивают прекрасную смачиваемость и теплопередачу, но вымыть остатки их весьма не просто, исключение составляют водосмываемые гели. Об этом необходимо помнить при выборе таких материалов. В безотмывочном процессе флюс-гели не заменимы, так как любой жидкий флюс, даже no-clean, не обеспечит абсолютной инертности после пайки. Это связано с тем, что не прогреваются до температуры пайки все места, где есть флюс, а значит в тех местах, где флюс не прогрет, он не становится инертным!!! Во флюс гелях нет растекания флюса и сама структура его весьма гидрофобна и инертна, поэтому их можно применять без отмывки!

3. Припои

Припои бывают с флюсом и без флюса, а также в брусках и проволочный.

Для ручного монтажа, как правило, выбирают проволочный припой с флюсом. Флюс нужен для того, чтобы припой меньше окислялся в процессе пайки. Его содержится от 0.5 до 3.5%. Чем больше диаметр проволоки, тем выше содержание флюса. По типу сплава припои так же, как и паяльные пасты, бывают свинцовые и бессвинцовые.

Выбирать припои надо из 2 соображений. Первое - чистота припоя (верить наверно надо имени уважаемой фирмы или собственному опыту, но для селективной пайки и пайки волной – это очень важно). Второе соображение - совместимость с другими используемыми в тех процессе материалами, в первую очередь с флюсами.

4. Отмывочная жидкость

Это те материалы, на которых можно очень сильно сэкономить, если исключить стадию отмывки или же использовать водосмываемые материалы, но…

Если изделие используется в технике, для которой надежность превыше всего, то на отмывке экономить не стоит. Все типы отмывочных жидкостей можно разделить на 3 типа:

1. жидкости на основе растворителей

2. растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ)

3. жидкости на основе MPC – технологии

Выбор жидкости  в первую очередь зависит от того, что надо смыть.

Если использовались водосмываемые флюсы, то очевидно, что мыть надо водой с добавлением обезжиривающего агента, а если использовались канифольные флюсы, то мыть надо тем, что растворяет канифоль или химически реагирует с ней.

Растворяют канифоль жидкости на основе растворителей. Таких жидкостей известно немного – в основном все используют Зестрон ФА, хотя на рынке присутствуют и другие жидкости, например АКВЕН-12. К этому же классу жидкостей можно отнести и спиртобензиновую смесь, но ее эффективность оставляет желать лучшего. Растворы ПАВ могут хорошо смачивать поверхность и не плохо проявляют себя для отмывки от не пригоревших флюсовых остатков, но с ними всегда есть проблема смывания ПАВ с поверхности после отмывки.

Жидкости на основе MPC-технологии с одной стороны могут растворять остатки флюсов, а с другой, они их не накапливают, так как при охлаждении и отстаивании остатки флюсов перестают растворятся в отмывочной жидкости их можно отфильтровать. С такими жидкостями сравнительно не просто работать, так как надо следить за их концентрацией.

Также надо помнить, что на выбор отмывочной жидкости влияет и Ваше оборудование. Нельзя использовать в спрей-оборудовании жидкости на основе растворителей. Также рекомендую заранее подумать о том, все ли компоненты выдерживают отмывку в растворителях или в жидкостях на основе MPC-технологии, так как далеко не вся маркировка и лакокрасочное покрытие микросхем к ним устойчиво.

Резюмируя все выше сказанное, хотелось бы отметить, что выбор материалов – задача ответственная и непростая. Необходимо учесть множество разных факторов и провести ряд испытаний, и только после этого у Вас будет более ли менее отлаженный тех процесс.

Также всегда рекомендую помнить, что при замене материалов, техпроцесс необходимо корректировать снова, так как замена пасты может обернуться для Вас необходимостью заново подбирать термопрофиль, режимы и условия отмывки, выбирать совместимый флюс и т.д.