Что же представляет собой паяльная паста?

К применяемым в паяльных пастах металлическим порошкам предъявляются достаточно жесткие требования по наличию примесей и однородности частиц (рис. 1, таблица).

Рис. 1. Порошок 3 го типа для припоя SAC

Вторым, не менее важным ингредиентом паяльной пасты является флюс. Именно его свойства определяют такие характеристики паяльной пасты, как транспортируемость/хранимость, печатаемость (наносимость), параметры удержания и монтажа компонента, оплавляемость. В составе каждого флюса имеется ряд веществ, меняющихся в зависимости от назначения:

• канифоль (rosin, природная смола) — органическое натуральное вещество, добываемое из смолы деревьев. В нашей стране среди радиолюбителей и сейчас это крайне распространенный и активно используемый флюс, найти его можно даже в магазине хозтоваров. Получают канифоль не просто из смолы, а из так называемой живицы: на хвойных деревьях делаются специальные надрезы на стволе и с определенной периодичностью из этих мест собирают выступившую свежую смолу, не успевшую полностью затвердеть. Сама же канифоль является природным активатором поверхности, снимающим окислы с поверхности паяемых металлов и с компонентов и влияющим на вязкость пасты за счет своих свойств и загустевания;
• синтетическая канифоль (resin) — та же канифоль, но полученная синтетически. Основное преимущество такой канифоли состоит в ее однородности и стабильности параметров при изготовлении пасты. Активность, цвет и вязкость природной канифоли зависят от условий ее получения. Соответственно, для получения стабильных повторяемых параметров от партии к партии производителям приходится контролировать и химически обрабатывать такую природную канифоль. Синтетическая канифоль обладает стабильными химическими и физическими свойствами, но не имеет активности, вязкости и густоты природной канифоли.

Ряд паяльных паст содержит в своем составе комбинированный флюс, состоящий из смеси этих канифолей. Также согласно ГОСТ 19250-73 «Флюсы паяльные. Классификация» паяльные флюсы можно разделить на значительно большее количество групп, различающихся по следующим признакам:

1. По температурному интервалу активности:
   • низкотемпературные (до +450 °C);
   • высокотемпературные (свыше +450 °C).
2. По природе растворителя:
   • водные;
   • неводные.
3. По природе активатора определяющего действия:
   1. низкотемпературные:
      • канифольные,
      • кислотные,
      • галогенидные,
      • гидразиновые,
      • фторборатные,
      • анилиновые,
      • стеариновые;
   2. высокотемпературные:
      • галогенидные,
      • боридно-углекислые.
4. По механизму действия:
   • защитные;
   • химического действия;
   • электрохимического действия;
   • реактивные.
5. По агрегатному состоянию:
   • твердые;
   • жидкие;
   • пастообразные.

Классификация самих флюсов — тема для отдельной статьи.

В ходе приготовления пасты используются следующие материалы:

• стабилизаторы — химические составы, позволяющие обеспечить стабильность характеристик пасты после транспортировки и хранения, при печати. В основном они поддерживают заданный уровень вязкости пасты — параметра, являющегося ключевым при процессе печати. При несоответствии исходной вязкости паста может не наноситься или наноситься неравномерно;
• активаторы — дополнительные составляющие флюса, позволяющие:
  • очищать паяемые поверхности печатной платы и компонентов;
  • обеспечить необходимый уровень коэффициента поверхностного натяжения;
  • обеспечивать необходимую смачиваемость паяльной пастой паяемых поверхностей.

В бессвинцовых пастах данный компонент очень важен для обеспечения смачиваемости паяемых поверхностей;

• растворитель — в большинстве случаев это спиртовые соединения, обеспечивающие взаимную растворимость всех составляющих. Также участвует в очистке паяемых поверхностей;
• поверхностно-активные вещества (ПАВ) — химические составы, обеспечивающие необходимый уровень очистки паяемых поверхностей для обеспечения необходимой смачиваемости и паяемости паяльной пастой;
• стабилизаторы нагрева — элементы, влияющие на стабильность параметров пасты во время процедуры оплавления. Именно они позволяют создавать пасты, работающие при длительных и высокотемпературных профилях оплавления. Данные элементы уменьшают окисление составляющих пасты в ходе пайки;
• реологические составляющие, иногда называемые загустителями. Эти элементы обеспечивают требуемый уровень вязкости пасты как конечного продукта и стабильность данного параметра при нанесении и пайке. Они же влияют на толщину слоя пасты, необходимую для установки компонента.

Остальными компонентами могут быть пластификаторы, отдушки и ингибиторы.

Очевидно, что процесс приготовления пасты отработан, если полученная в результате смесь равномерна и стабильна. Большинство паст содержат 10–12% флюса в весовом соотношении. В объемном соотношении процент металл-флюс может составлять примерно 50 на 50.

Влияние паяльной пасты на установку и положение компонента

Паяльная паста является связующим элементом, обеспечивающим электрический и механический контакт между печатной платой и поверхностно-монтируемым компонентом. Важными влияющими факторами для обеспечения данного контакта являются качественная печать, контролируемый процесс пайки и качество паяльной пасты, процесс установки компонента. После нанесения пасты на контактных площадках платы остается отпечаток, имеющий определенную геометрию и объем. Именно этот объем пасты и обеспечивает качество пайки. После нанесения пасты на контактные площадки требуется установить компонент, затем плата будет транспортирована в печь и паста оплавлена. Вязкость, осадка и тиксотропность — ключевые параметры, обеспечивающие стабильность паяльной пасты до этапа монтажа компонентов.

В идеале монтаж компонентов должен выполняться сразу после нанесения пасты, без задержек. В реальности на производстве между нанесением пасты и монтажом компонентов существует временной интервал, который может быть вызван, к примеру:

• медленной скоростью монтажа компонентов, определяемой временем, необходимым автомату-установщику для монтажа всех компонентов (их может быть от нескольких десятков до сотен и тысяч);
• задержками в связи с потерей компонентов, их окончанием в питателях;
• обеденными и техническими перерывами.

В ходе пайки, за счет сил поверхностного натяжения, паяльная паста может приводить как к «центрированию» компонента, так и к образованию дефектов типа «надгробный камень». Впрочем, при образовании дефектов паста — лишь необходимое условие для его формирования, основными причинами могут являться:

• некорректное проектирование контактных площадок и разводки на печатной плате;
• неравномерный прогрев в связи с теплоемкими внутренними структурами (слоями, полигонами) в теле печатной платы;
• влияние стоящих рядом теплоемких и крупногабаритных компонентов;
• неудачно подобранные направление и скорость движения платы в печи оплавления;
• и некоторые другие причины.

Но при всех этих причинах именно поведение паяльной пасты определяет формирование будущего дефекта.

Вязкость

Вязкость определяет способность пасты удержать установленный компонент и спозиционировать его при пайке. Особенно важна вязкость пасты при монтаже высоких компонентов и компонентов с нестандартной геометрией корпуса. Со временем вязкость пасты изменяется. Для ее определения проводится тестирование в течение определенного времени (до 24 ч, рис. 2). Теоретически отпечатки паяльной пасты после ее нанесения и отделения трафарета должны иметь вертикальные ровные края (стороны) и сохранять свою форму до момента монтажа компонентов. В реальности любая паста обладает осадкой, из-за которой стороны отпечатков оплывают и меняют геометрию. Осадка любой пасты должна быть минимальной, чтобы исключить возможность образования перемычек пасты между контактными площадками, провод-никами или элементами разводки, которые в дальнейшем приведут к коротким замыканиям в схеме.

Рис. 2. Изменение вязкости пасты с течением времени

Осадка проверяется на паяльной пасте, нанесенной через специальный трафарет на печатную плату со сплошным меднением. Апертуры трафарета увеличиваются от малых к большим в разных направлениях. При этом осадка оценивается при двух внешних условиях — при комнатной температуре и при повышенной температуре в +80 °C. Спустя 20 мин после печати проводится проверка на наличие перемычек между отпечатками.

Более подробно порядок проведения оценки вязкости описан в стандарте IPC-TM‑650 (часть 2.4.34.4) «Методы определения вязкости пастообразного флюса». Для оценки осадки используется IPC-TM‑650 (часть 2.4.35) «Руководство по испытательным методам. Паяльная паста — определение осадки». Иллюстрация данного теста приведена на рис. 3.

Рис. 3. Тест на осадку. Приемлемо для паст:
а) оловянно-свинцовых;
б) типа А;
в) типа E

Тиксотропность

Этот параметр определяется специальными веществами, поддерживающими требуемый уровень вязкости. Как сказано выше, со временем от момента нанесения (выкладки) пасты на трафарет вязкость паяльной пасты изменяется. После окончания движения ракеля паста начинает растекаться за счет уменьшения вязкости. Для стабильности формы отпечатка и уменьшения растекания и осадки и контролируется уровень тиксотропности, который в свою очередь влияет на указанные параметры.

Оплавление

Чаще всего в результате оплавления должен образоваться надежный электрический и механический контакт между медью (Cu, с финишными покрытиями) печатной платы и оловом (Sn, опять же, с покрытием, и, возможно, не чистым, а в составе сплава) — рис. 4. В технологии поверхностного монтажа оплавление — один из самых ответственных этапов технологического процесса. Наиболее распространено оплавление за счет конвекционного нагрева, но есть и альтернатива, такая как парофазная пайка. Однако для ряда изделий до сих пор применяется пайка волной, ее улучшенная реализация — селективная пайка, позволяющая производить пайку выводных компонентов (чаще всего разъемов) на плате с компонентами для поверхностного монтажа. Есть и более узкоспециализированные методы пайки — инфракрасным нагревом, лазером. Суть процесса заключается в том, что нанесенной на печатную плату паяльной пасте требуется образовать соединение между компонентом и печатной платой за счет нагрева всей системы (или конкретных точек пайки).

Рис. 4. Интерметаллическое соединение на границе металлизация печатной платы — припой — металлизация компонента

Как уже было сказано, паяльная паста представляет собой смесь из металлического порошка и флюса. Флюс, в свою очередь, также может содержать несколько составляющих, влияющих на формирование паяного соединения. Формирование подобного паяного соединения следует строго контролировать. Это касается не только нагрева, но и охлаждения пайки. Общая последовательность этапов нагрева и охлаждения называется температурным профилем оплавления. Каждая стадия пайки имеет свой градиент скорости нагрева или охлаждения. Для оптимальной пайки каждый припой и каждая паяльная паста имеет свой рекомендованный температурный профиль оплавления. Для большинства изделий (плат) температурные профили является оригинальным. К примеру, температурный профиль для материнской платы компьютера и платы для мобильного телефона будут различаться между собой. Кроме того, важными условиями процесса являются такие аспекты, как односторонний или двусторонний монтаж, выполнение пайки в среде инертного газа (азота). Все это оказывает влияние на технологическое окно температурного профиля, по которому в реальности будет проводиться оплавление.

Именно поэтому для любой паяльной пасты представлен диапазон (окно) температурного профиля, в пределах которого может проводиться пайка именно данной пастой (рис. 5). У любого температурного профиля (рис. 6) есть ряд характерных зон, таких как:

• Зона 1. Предварительный нагрев — в данной зоне происходит плавный нагрев сборки. Обязательным условием является четкая выдержка температурного градиента нагрева (°C/мин). На этом этапе флюс, входящий в состав пасты, активирует (очищает) паяемые поверхности печатной платы и выводы компонентов. Если нагрев будет происходить слишком быстро, флюс не успеет активировать поверхности или закипит, разбрызгав пасту, при медленном нагреве он может досрочно испариться.
• Зона 2. Выдержка — на данном этапе происходит стабилизация температурного профиля (выход на полку), стабилизация градиента нагрева, полная активация паяемых поверхностей флюсом. Именно полная активация всех поверхностей приводит к достижению требуемого уровня смачиваемости и растекаемости припоя по паяемым поверхностям. Также на данном этапе происходит испарение остатков флюса из тела паяного соединения, что в дальнейшем должно полностью устранить (в идеале, или минимизировать на практике) возникновение таких дефектов, как поры в пайке.
• Зона 3. Оплавление — в данной зоне достигается температура расплавления припоя (ликвидуса) и осуществляется кратковременная выдержка. Указанная температура достигается достаточно резким повышением температуры. После этого температура начинает падать, начинается этап охлаждения до температуры затвердевания припоя (солидуса) и ниже. Именно здесь формируется твердое металлическое паяное соединение (галтель припоя). При правильно построенном по длительности и скоростям нагрева-охлаждения температурном профиле будет получено качественное паяное соединение каждого компонента. В конце термопрофиля происходит общее охлаждение до температуры, превышающей температуру окружающей среды, но приемлемой, чтобы плату можно было взять в руки.

Рис. 5. Технологическое окно температурного профиля паяльной пасты

Рис. 6. Порошок 3 го типа для припоя SAC

Паяльная паста — сложная, хоть и двухкомпонентная смесь, обладающая рядом характеристик, чрезвычайно важных для формирования качественного надежного паяного соединения. Технологические процессы нанесения пасты, монтажа компонентов и пайки — своего рода искусство, поскольку каждый является многофакторным процессом, умение управлять которым приходит далеко не сразу. И только личный опыт сможет гарантировать конечное качество пайки.