Вакуумная пайка — залог качественного паяного соединения

Введение

Пайку можно назвать одним из самых сложных этапов при производстве радиоэлектронной продукции. Построение и отладка термопрофиля — творческий и непростой процесс, который под силу опытным и, зачастую, креативным сотрудникам. Но даже имея идеальный термопрофиль, в условиях производства можно столкнуться с массой дефектов, возникающих при пайке.

В более ответственных сферах производства радиоэлектронной продукции появляется необходимость создания максимально надежного паяного соединения, устойчивого к коррозии и способного перенести различные воздействия, как температурные, так и механические.

Одним из параметров надежности паяного соединения можно назвать его однородность. Присутствие пустот в паяном соединении может привести к коррозии и последующему выходу изделия из строя. Также одним из важных факторов качественной пайки можно назвать смачиваемость спаиваемых поверхностей. В этой статье проанализированы варианты создания специальных условий при пайке, которые напрямую влияют на качество паяного соединения.

Влияние вакуума и его функции при пайке

Чтобы оценить влияние вакуума и понять принцип его действия, рассмотрим типовой профиль пайки изделий в вакууме, представленный на рис. 1.

Рис. 1. Типовой профиль пайки с помощью вакуума

Вакуум используется в процессе пайки два раза. Первый раз — сразу после помещения продукта пайки в систему пайки в вакууме. Это действие используется для удаления воздуха из рабочей камеры. После создания вакуума камера может быть наполнена специальным газом или смесью газов.

Второй раз вакуум создается в фазе оплавления. При переходе припоя в жидкое состояние вакуум позволяет выместить воздух из объема паяного соединения, таким образом можно удалить образовавшиеся пустоты. После достижения вакуума в рабочую камеру может быть также подан газ (или смесь газов) для создания дополнительных условий при пайке.

Примеры паяных соединений при пайке в воздухе и специальной среде с использованием вакуума приведены на рис. 2.

Рис. 2. Вид паяного соединения:
а) пайка в воздухе;
б) в вакууме

Влияние специальной атмосферы при пайке и ее функции

Для повышения качества паяного соединения пайку можно проводить в специальной атмосфере, что позволяет минимизировать процессы окисления и улучшить смачиваемость поверхностей.

Технологию пайки можно условно разделить на две группы по типу активации поверхностей перед пайкой (табл. 1):

• пайка с использованием флюса;
• пайка без использования флюса.

Рассмотрим возможные типы атмосферы для обоих способов пайки изделий.

Пайка с использованием флюса

При этом способе пайки функцию активатора поверхностей перед пайкой будет выполнять флюс. Специальная среда, которая может создаваться в современных системах вакуумной пайки, должна обеспечивать лишь отсутствие окислений на спаиваемых поверхностях.

В качестве инертной среды можно использовать следующие газы:

• азот, аргон и т. д. (любые инертные газы);
• формир-газ (95% азота + 5% водорода).

Азот

Как известно, азот (N₂) — бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха газ. В атмосфере азот является основной составляющей. (На его долю приходится примерно 78% атмосферы, еще 20,9% занимает кислород, 0,9% — аргон. Остальная часть атмосферы состоит из углекислого газа, водорода, неона, гелия, криптона, ксенона и других газов.) Газообразный азот широко используется в промышленности, благодаря своей химической инертности.

Достоинства:

• Нет окисления при пайке.
• Доступность и безопасность при работе.

Недостаток — не подготавливает площадки и поверхности к пайке.

Формир-газ

Формир-газ — это смесь из 95% азота и 5% водорода. Основное свойство водорода — способность разрушать оксидные пленки на поверхностях, тем самым удаляются окисления.

Достоинства:

• Активация площадок, создание инертной среды.
• Нет специальных требований к безопасности.

Недостаток — низкая способность подготавливать поверхности.

Пайка без использования флюса

Этот способ пайки целесообразно использовать при производстве изделий с высокой степенью ответственности. Технология пайки без использования флюса является гораздо более «чистой», так как после пайки отсутствуют загрязнения от веществ, находящихся в составе флюса. Остатки флюса необходимо тщательно удалять с помощью отмывки, так как зачастую они становятся причиной выхода изделия из строя. При пайке без флюса специальная атмосфера, создаваемая в рабочей камере, должна не только обеспечивать активацию поверхностей при пайке, но и препятствовать образованию окислений.

Возможные варианты специальной атмосферы при пайке без использования флюса:

• пайка в парах муравьиной кислоты (HCOOH);
• пайка в водородной среде (H₂);
• пайка с использованием плазмы.

Пайка в парах муравьиной кислоты (HCOOH)

Муравьиная кислота — химический реагент, позволяющий убрать окисления с поверхностей. В системах вакуумной пайки инертный газ проходит через емкость с муравьиной кислотой, в результате чего образуется «влажный газ», содержащий пары муравьиной кислоты. Пар, взаимодействуя с поверхностями, удаляет окисления и подготавливает их к пайке. Муравьиную кислоту рекомендуется использовать в профиле в фазе активации поверхностей. Температура должна быть между +130 и +170 °C, что особенно важно при использовании низкотемпературных припоев, так как альтернативные варианты подготовки поверхности при низких значениях температуры неэффективны.

Достоинства:

• Удаление оксидного слоя.
• Не нужно использовать флюс.

Недостатки — повышенные требования к безопасности.

Пайка в водороде (H₂)

Очищенный от примесей паров воды и других газов водород эффективно удаляет окислы металлов.

Водород гораздо более активный восстановитель, чем формир-газ или пары муравьиной кислоты. Так, например, окислы железа восстанавливаются в водороде примерно в 20 раз быстрее, чем в формир-газе при +500 °С, и в 10 раз быстрее при +300 °С. Недостатком водорода является взрывоопасность, ограничивающая его применение. Также следует отметить, что водород эффективно проявляет свои полезные свойства лишь при температуре выше +280 °С.

Достоинства:

• Очищение от окислений.
• Улучшение смачиваемости.
• Отсутствие загрязнений.

Недостатки:

• Наличие открытого пламени при удалении водорода из рабочей камеры.
• Повышенные требования к безопасности.

Пайка с использованием плазмы для подготовки поверхностей перед пайкой

Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Плазму иногда называют четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Влияние плазмы на поверхности спаиваемых материалов (рис. 3):

• Оказывается механическое воздействие, как при пескоструйной обработке.
• Подготовка поверхности проводится ионизированным газом.
• УФ-излучение разрушает длинные цепи углеродных соединений и используется для отверждения специальных покрытий.

Рис. 3. Удаление окислений с поверхностей с помощью плазмы

При использовании плазмы достигается эффект, когда поверхностное натяжение поверхности становится максимально близким к поверхностному натяжению самого материала пайки (например, к пресс-форме). При таком эффекте припой равномерно смачивает всю площадь паяного соединения (рис. 4), а не собирается в шарики за счет большего поверхностного натяжения.

Рис. 4. Смачиваемость необработанной (а) и обработанной поверхности (б)

Достоинства:

• Улучшение смачиваемости и активация поверхности.
• Отсутствие брака.

Недостаток — повышенные требования к вакууму.

Оборудование для пайки в вакууме и сферы его применения

Компания Budatec (Германия) уже 15 лет занимается разработкой и выпуском систем вакуумной пайки. В Берлине находится исследовательская лаборатория, в которой специалисты Budatec проводят испытания пайки изделий заказчика.

Оборудование Budatec обладает следующими возможностями:

• Для процессов пайки:
• удаление пустот при пайке;
• отсутствие окисления;
• улучшение смачиваемости поверхностей;
• возможность использования плазмы для очистки поверхностей перед пайкой;
• быстрый нагрев и быстрое охлаждение (3 K/с);
• отсутствие загрязнений при пайке (при использовании технологии пайки без флюса).
• Для работы с клеями-компаундами:
• сушка и дегазация в одном устройстве;
• удаление пустот;
• улучшение клеящей способности поверхностей.
• Упаковка компонентов и корпусирование микросхем:
• герметичное запаивание корпуса микросхем с формир-газом;
• возможность работы с такими газами, как азот, аргон, гелий и др.;
• сборка продукции при вакууме до 0,1 мбар.
• Типовое применение систем вакуумной пайки:
• производство высоковольтных систем,
• микроэлектроника,
• установка кристаллов,
• сушка компаундов (рис. 5).
• Производство светодиодной продукции (рис. 6):
• УФ-диоды;
• лазерные диоды.
• Корпусирование и герметизация корпусов (рис. 7).

Рис. 5. Примеры готовой продукции

Рис. 6. Примеры готовой светодиодной продукции

Рис. 7. Примеры корпусирования и герметизации корпусов

Компания Budatec предлагает три варианта машин для пайки в вакууме:

• VS160S (рис. 8, табл. 2). Это начальная модель в линейке, с помощью которой можно паять продукцию в азоте, формир-газе и парах муравьиной кислоты. Для работы с системой необходим вакуумный насос, предлагаемый в качестве опции.
• VS160UG (рис. 9, табл. 3). Эта модель также позволяет паять продукцию в азоте, формир-газе и парах муравьиной кислоты. Система поставляется в комплекте с вакуумным насосом. Она установлена на станину, внутри которой удобно располагаются все необходимые газовые магистрали, в том числе система подачи паров муравьиной кислоты (рис. 9б).
• VS320UG (рис. 10, табл. 4). Старшая модель из всей линейки оборудования. Система позволяет производить пайку всеми описанными в статье методами: в среде азота, формир-газа, водорода, паров муравьиной кислоты, возможна установка генератора плазмы (рис. 10б). Пайку в среде водорода можно проводить при содержании газа до 100%. Для удаления газа из рабочей камеры над машиной устанавливается дожигатель отработанного газа — для обеспечения безопасности.

Рис. 8. Внешний вид машины для пайки VS160S

Рис. 9. Система для пайки VS160UG:
а) внешний вид;
б) емкость с муравьиной кислотой

Рис. 10. Система для пайки VS320UG:
а) внешний вид;
б) генератор плазмы

Заключение

В статье мы рассказали о технологии пайки в вакууме с использованием специальных газов и рассмотрели преимущества и недостатки возможных вариантов компоновки системы для проведения этого техпроцесса. Технология вакуумной пайки является наиболее эффективным способом получения качественного паяного соединения при изготовлении продукции для ответственных сфер применения.