Водосмываемые паяльные пасты для пайки электронных компонентов

Введение

Важными аспектами, определяющими научно-технический уровень современных СВЧ-устройств, являются высокая надежность при малых габаритах и весе, невысокая себестоимость, малые потери энергии в проводниках, большая мощность рассеяния и возможность автоматизации технологии их изготовления [1].

В производстве современных СВЧ-модулей сборка и монтаж навесных элементов (резисторов, конденсаторов, микросхем типа ВGA и др.) считается наиболее трудоемкой операцией, которая требует нанесения на платы паяльной пасты. Паяльную пасту в строго заданном количестве наносят через трафарет на контактные площадки платы, а затем размещают навесные элементы и проводят пайку оплавлением дозированного количества пасты. Разработано и выпускается достаточно большое количество ручного, полуавтоматического и автоматического оборудования для нанесения паяльных паст, монтажа и пайки [2]. Однако статистические данные показывают, что до 64% отказов электронных модулей возникают на этапе нанесения и оплавления паяльной пасты [3].

В электронной и радиотехнической промышленности получил распространение наиболее прогрессивный метод монтажа с использованием трафаретной печати паяльной пастой. Трафаретная печать требует определенных свойств паяльной пасты, а именно:

• хороших тиксотропных свойств и сохранения формоустойчивости дозы пасты на контактных площадках;
• хорошей смачиваемости и растекания расплавленного порошка припоя, входящего в состав пасты, по контактным площадкам;
• отсутствия окисления порошка припоя, входящего в состав пасты;
• однородности состава по всему объему в течение времени хранения при определенных условиях.

Не менее важно обеспечить тщательную отмывку мест пайки и флюса-связки, входящего в состав пасты, а также коррозионную стойкость соединений, паянных паяльной пастой. Традиционно в качестве флюса используют спиртовые растворы канифоли, в которых главный компонент — абиетиновая кислота, способная растворять оксиды металлов с образованием комплексных соединений. Сухой канифоли свойственна нейтральная некоррозионная среда, но ее спиртовые растворы имеют коррозионную агрессивность, проявляющую себя, в частности, в контакте с медью [4].

Поставлена задача оценить качество и свойства вновь разработанных паяльных паст для монтажа электронных компонентов и предназначенных для нанесения методом трафаретной печати.

Свойства паяльных паст для трафаретной печати

Основные свойства и химический состав слабоактивированных некоррозионных припойных паст, разработанных на предприятии для трафаретной печати, приведены в таблице 1.

На протяжении длительного времени паяльные пасты № 1 и 2 используются на предприятии и хорошо себя зарекомендовали при производстве СВЧ-микросборок [5, 6]. Вновь разработанные паяльные пасты № 3–8 обладают преимуществом хорошей отмывки дистиллированной водой. Для оценки технологических свойств паяльных паст выбраны наиболее важные их параметры:

• коэффициент растекания пасты при комнатной температуре;
• флюсующая активность составляющих паяльных паст;
• коррозионная активность флюса-связки паяльной пасты;
• степень очистки флюса-связки после оплавления.

При определении коэффициента растекания при комнатной температуре, паяльные пасты через трафарет толщиной 150 мкм и диаметром отверстия 0,3 мм наносили на пластины из поликора. Диаметры отпечатков измеряли с помощью микроскопа МБС‑10 при 16‑кратном увеличении. Коэффициент растекания определяли как:

K_р = (D₂/D₁)×100%,

где D₁ и D₂ — диаметры отпечатков пасты сразу после нанесения и через 1 ч выдержки.

В таблице 2 представлены данные коэффициентов растекания паст на основе порошка ПОС 61 при комнатной температуре.

Отпечатки паст № 5 и 7 имеют четкую форму, флюс-связка не выделяется на поверхность дозы. Паяльные пасты № 1 и 3 имеют незначительный коэффициент растекания, от 1,6 до 4,4%. В этих пастах на поверхности отпечатка выступает тонкий слой флюса-связки. Коэффициент растекания зависит от реологических свойств паяльной пасты. Тиксотропность паяльных паст обеспечивает формирование четких отпечатков, позволяющих закреплять паяемые элементы на контактных площадках и не образовывать мостики (перемычки) между ними. В качестве тиксотропного материала в пастах № 1–2 и № 7–8 использовали полиэтиленгликоль с молекулярной массой 1500–2000.

Исследования показали, что на все перечисленные свойства оказывает влияние качество канифоли и ее марка. Особенно это выражено в пастах № 1 и 2. В зависимости от кислотного числа паяльная паста имеет различный срок хранения и различные реологические свойства. Применение канифоли с кислотным числом 168–169 позволяет на протяжении длительного времени (6 месяцев) сохранять эластичность и формоустойчивость, что важно для трафаретной печати. Правильно подобранное процентное соотношение растворителей (триэтаноламина, этиленгликоля и др.) гарантирует четкость отпечатка (рис. 1).

Рис. 1. Плата с нанесенной пастой через трафарет

Флюсующая активность паяльных паст зависит от состава флюса-связки и качества порошка припоя. Во всех составах использовали порошки припоев ПОС 61 и ПОСК 50­-18 одной партии, полученные ультразвуковым распылением в защитной атмосфере [7].

Для распыления припоя применяют УЗ-установки на магнитострикционных или пьезоэлектрических преобразователях (рис. 2). Заготовка в виде прутка припоя подается в зону плавления высокочастотного индуктора, а затем капли припоя попадают на колеблющийся волновод и распыляются в защитной среде. Распыление происходит в среде азота с производительностью до 1 кг/ч. В установках получают порошки припоев ПОС 61, ПОИн‑52, ПОСК 50­-18 с размером сферических частиц 10–160 мкм, в которых содержание кислорода по массе из-за распыления в среде инертного газа не превышает 5 × 10^–2 %.

Рис. 2. УЗ-установка получения порошка припоя

Паяльные пасты наносили через трафарет на образцы в виде пластин из меди толщиной 0,4 мм, покрытые сплавами олова‑висмута, серебра-сурьмы, а также на контактные площадки плат, покрытые гальваническим и иммерсионным золотом и горячим оловом. Оплавление паяльных паст проводили в конвекционной печи SM 500 CXE­HT по термопрофилю в соответствии с температурой плавления припоев и пайки навесных элементов. Флюсующую активность оценивали по коэффициенту растекания паяльной пасты после оплавления:

K = S₁/S₀,

где S₀ — площадь отпечатка паяльной пасты, S₁ — площадь растекания после оплавления пасты.

В таблицах 3 и 4 приведены результаты флюсующей активности паяльных паст на основе порошков припоев ПОС 61, ПОСК 50­-18.

Практически все составы паст имеют коэффициент растекания K_р > 1 или близкий к 1, что соответствует ОСТ4 ГО.033.200. Высокие показатели коэффициента присущи олово‑висмутовому покрытию и гальваническому золоту для всех паст. Пасты № 1, 2, 5, 6 имеют К_р < 1 на образцах с покрытием горячим оловом. Вероятной причиной является наличие прочной оксидной пленки олова и частичное растворение его в расплаве припоя.

Коррозионную активность определяли после оплавления паяльных паст по массовому показателю коррозии на образцах в виде медных дисков диаметром 25 мм толщиной 0,4 мм, покрытых олово‑висмутом толщиной 6–9 мкм. Образцы загружали в бюксы с флюсом-связкой и выдерживали 24 ч. Массовый показатель коррозии определяли как:

L = (m₁–m₂)/S×t,

где m₁ и m₂ — исходная масса образца и его масса после воздействия флюса, S — площадь образца, t — время воздействия.

Кроме того, часть медных непокрытых образцов помещали в бюксы с флюсом-связкой на длительное время с замером массы образцов в исходном состоянии и через определенные промежутки времени. Хорошую флюсующую активность, как правило, обеспечивают флюсы-связки, содержащие активные составляющие, которые дают возможность развиваться после некачественной очистки коррозионным процессам на границе припоя и покрытия.

В таблице 5 приведены данные по сопротивляемости коррозионному разрушению олово‑висмутового покрытия во флюсах-связках, входящих в состав паяльных паст.

Расчетные значения массового показателя коррозии показывают, что флюсы-связки, содержащие в своем составе канифоль, не вызывают коррозии покрытия. Наблюдается незначительная коррозия на образцах с паяльной пастой № 3, 4, вызванная тем, что в составе флюса-связки содержится аммоний лимоннокислый.

Кроме того, чтобы определить, насколько активными являются применяемые в паяльных пастах флюсы-связки, проведен тест на коррозию медной пластинки при длительной выдержке. Результаты приведены в таблице 6.

Незначительное изменение массы произошло у образцов, находящихся во флюсе-связке паяльных паст № 3 и 5 в течение 30 месяцев, что свидетельствует о слабом коррозионном воздействии этих флюсов. Использование ультразвуковой очистки в моющих жидкостях практически полностью исключает наличие коррозии в паяных соединениях.

Условия эксплуатации изделий ответственного назначения требуют выполнения очистки плат с навесным монтажом. Паяльные пасты № 3–8 являются водорастворимыми, поэтому очистку проводили в дистиллированной воде в ультразвуковой ванне. Степень очистки от остатков флюса-связки определяли по электропроводности дистиллированной воды с помощью прибора ИЭВ‑1. Измеряли исходное значение дистиллированной воды, затем образцы плат с нанесенными составами оплавляли в конвекционной печи. Очистку плат проводили в ультразвуковой ванне при температуре воды +40…+50 °C и времени озвучивания 180 с. Очищенные образцы помещали в дистиллированную воду на 120 с, а затем измеряли электропроводность и сравнивали с исходным значением. Паяльные пасты состава № 1 и 2 отмывались с предварительной замочкой и очисткой в этиловом спирте. Результаты качества очистки приведены в таблице 7.

Полученные результаты свидетельствуют о хорошем качестве очистки, что дополнительно подтверждается визуальным осмотром под микроскопом и длительными испытаниями изделий в условиях влажной среды. Разработанные паяльные пасты сохраняют свои свойства в течение шести месяцев хранения в холодильнике.

Выводы

Разработаны водосмываемые паяльные пасты для трафаретной печати, обеспечивающие высокую точность дозирования и обладающие коррозионной стойкостью. Связующие, входящие в состав паяльных паст, отмываются в ультразвуковой ванне дистиллированной водой.

Экспериментально определены коэффициенты растекания паяльных паст на основе порошков припоев ПОС 61 и ПОСК 50­-18 по паяемым поверхностям контактных площадок с различными покрытиями. Использование этих данных на практике позволяет выбирать оптимальные сочетания состава паяльных паст под покрытия, что обеспечивает получение качественных и надежных паяных соединений элементов на плате.