Вакуумная пайка — залог качественного паяного соединения

№ 6’2013
PDF версия
Современные компании-производители электроники и микроэлектроники нуждаются в передовых технологиях, чтобы соответствовать неуклонно растущим требованиям к надежности выпускаемой продукции.

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.

Типовой профиль пайки с помощью вакуума

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.

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

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.
Таблица 1. Типы используемых паяльных материалов в зависимости от типа пайки

Тип пайки

Тип паяльного материала

Пайка с использованием флюса

Паяльная паста, пресс-форма припоя с флюсом, фольга с флюсом

Пайка без использования флюса

Пресс-форма припоя, фольга

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.
Удаление окислений с поверхностей с помощью плазмы

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.

Смачиваемость необработанной (а) и обработанной поверхности (б)

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).

Примеры готовой продукции

Рис. 5. Примеры готовой продукции

Примеры готовой светодиодной продукции

Рис. 6. Примеры готовой светодиодной продукции

Примеры корпусирования и герметизации корпусов

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.

Внешний вид машины для пайки VS160S

Рис. 8. Внешний вид машины для пайки VS160S

Система для пайки VS160UG

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

Система для пайки VS320UG

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

Таблица 2. Технические характеристики машины для пайкиVS160S

Технические характеристики

Значение

Размер нагревательной поверхности

160×160 мм

Максимальная высота компонентов

50 мм

Максимальная температура пайки

+450 °С

Скорость нагрева и охлаждения (max)

3 К/с

Максимальная загрузка нагревательной поверхности

2,5 кг

Рабочие газы

N2,; N2H2 95/5%

Электропитание

400 В/16 А

Подключение системы охлаждения водой

10 л/мин

Вес печи

Около 50 кг

Опциональное оснащение:

Измерение абсолютного давления

Пластинчатый насос с комплектующими

Программное обеспечение для записи данных

Подставка с подводом рабочих газов и возможностью размещения насоса

Газовая линия HCOOH с интегрированным газовым барботером

Система улавливания паров флюса

Таблица 3. Технические характеристики системы для пайки VS160UG

Технические характеристики

Значение

Размер нагревательной поверхности

160×160 мм

Максимальная высота компонентов

50 мм

Максимальная температура пайки

+450 °С

Скорость нагрева и охлаждения (max)

3 К/с

Максимальная загрузка нагревательной поверхности

2,5 кг

Рабочие газы

N2; N2H2 95/5%

Электропитание

400 В/16 А

Подключение системы охлаждения водой

10 л/мин

Вес печи

Около 80 кг

Опциональное оснащение:

Измерение абсолютного давления

Пластинчатый насос с комплектующими

Программное обеспечение для записи данных

Подставка с подводом рабочих газов и возможностью размещения насоса

Газовая линия HCOOH с интегрированным газовым барботером

Система улавливания паров флюса

Таблица 4. Технические характеристики системы для пайки VS320UG

Технические характеристики

Значение

Размер нагревательной поверхности

160×160 мм

Максимальная высота компонентов

50 мм

Максимальная температура пайки

+450 °С

Скорость нагрева и охлаждения (max)

2,5 К/с

Максимальная загрузка нагревательной поверхности

15 кг

Рабочие газы

N2; N2H2 95/5%; H2 до 100%

Электропитание

400 В/32 А

Подключение системы охлаждения водой

10 л/мин

Вес печи

Около 300 кг

Опциональное оснащение:

Измерение абсолютного давления

Пластинчатый насос с комплектующими

Программное обеспечение для записи данных

Подставка с подводом рабочих газов и возможностью размещения насоса

Газовая линия HCOOH с интегрированным газовым барботером

Система улавливания паров флюса

До пяти газовых линий

Интегрированное оборудование для обработки плазмой

 

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *