Использование современных инструментов для проверки качества нанесения флюса в процессе пайки волной

Флюсы, применяемые для пайки

Флюс — один из самых важных материалов, используемых в процессе пайки, который при правильном нанесении имеет значительное влияние на надежность сварного шва. При волновой и селективной пайке флюс традиционно наносится в жидком виде методом распыления. Он удаляет оксиды на поверхности металла и на паяных соединениях, защищает металл от дальнейшего окисления в процессе пайки и обеспечивает смачивание.

Существует три основных вида флюса:

• флюс на основе спирта;
• флюс, не содержащий ЛОС (VOC Free);
• водорастворимый флюс.

При выборе флюса учитывают следующие основные факторы:

• сфера применения конечного изделия и требования к надежности;
• метод нанесения флюса (традиционно флюс наносят методом распыления);
• необходимость очистки изделия от остатков флюса.

Процесс флюсования

Наиболее популярным методом нанесения флюса считается распыление. Жидкий флюс распыляется на нижнюю сторону платы при помощи специальных сопел, электромагнитных нагнетателей или с помощью стационарных ультразвуковых насадок.

Производительность флюсователя, как и любого устройства, зависит от фирмы-изготовителя. Задача конечного пользователя — иметь на своем производстве систему флюсования, обладающую следующими характеристиками:

• длительный срок службы, отсутствие дефектов и признаков старения с течением времени, а также совместимость с основными типами флюсов (некоторые виды флюса агрессивны и могут вызвать внутренние повреждения флюсователя);
• простота работы и обслуживания;
• способность к самоочищению и не меняющиеся со временем показатели производительности/повторяемости;
• поддержание контроля и конструкция, которая обеспечивала бы хорошую проникающую способность и равномерность нанесения.

Технические характеристики флюса

Производители флюсов предоставляют подробные указания относительно того, как нужно пользоваться продуктом. Каждый тип флюса должен иметь свою собственную документацию, которая содержит следующую информацию:

• рекомендуемое количество наносимого флюса, выраженное в микрограммах на квадратный дюйм (стандартно 500–1500 мкг/дюйм²);
• содержание твердых веществ;
• предварительная температура нагрева верхней стороны печатной платы;
• рекомендуемый термопрофиль предварительного нагрева;
• требования к отмывке;
• правила техники безопасности.

Для того чтобы обеспечить надлежащие эксплуатационные качества флюсования, необходимо строго следовать рекомендациям изготовителя флюса. Правильная настройка флюсователя позволяет достичь лучших результатов пайки.

Нанесение флюса: расчет технологических потерь флюса

Для вычисления технологических потерь флюса его поток необходимо перенаправить с распылительного сопла в отдельную емкость на фиксированный период времени и затем вычислить полученный объем флюса.

Описанный выше метод может быть автоматизирован при помощи точных измерительных клапанов, измерителей расхода и/или объемных насосов, используемых в высокотехнологичных установках. Данные системы контроля позволяют получить нужную информацию, гарантируют постоянные и оптимальные показатели нанесения, но значительно увеличивают стоимость оборудования.

Самый быстрый способ проверить объем нанесенного флюса на печатную плату — измерить вес изделия (платы) до и после флюсования. На достоверность результатов могут повлиять испарение флюса (активаторов), а также точность весов.

Существует две основные методики взвешивания: по сухой технологии и по влажной технологии. Выбор технологии зависит от типа флюса. Влажная весовая технология применяется для водорастворимых флюсов, а сухая — для флюсов на основе изопропилового спирта. Каждый из методов требует от весовой аппаратуры высокой точности взвешивания, до третьей значащей цифры после запятой (,000), а также возможности измерять вес целого изделия. Большинство прецизионных электронных весов способны взвешивать изделия только до 200 г или менее.

Рис. 1. Инструменты для взвешивания по влажной технологии

Взвешивание по влажной технологии

1. Перед флюсованием определяется отдельно вес изделия и отдельно вес герметичного пакета zip-lock.
2. Сразу после завершения процесса флюсования плата быстро изымается из машины, помещается внутрь герметичного пакета и снова взвешивается.
3. При взвешивании учитывается процент содержания твердых частиц и размеры печатной платы. Получив все значения, по формуле вычисляют актуальное количество нанесенного флюса (рис. 2).

Взвешивание по влажной технологии (рис. 1, 2) подходит для расчета флюсов, не содержащих летучих органических веществ, и водорастворимых флюсов, так как испарение жидкой составляющей флюса занимает достаточно много времени. Наличие герметичного пакета позволяет избежать каких-либо потерь.

Рис. 2. Расчетная формула для влажной технологии

Взвешивание по сухой технологии

1. Перед флюсованием определяется вес печатной платы.
2. На плату наносится флюс.
3. Плата изымается из машины и располагается на столе флюсованной стороной вверх для испарения спиртосодержащей составляющей. Это занимает примерно 2–3 мин. Неиспарившаяся часть будет представлять собой содержание твердых частиц.
4. После испарения спиртосодержащей составляющей плата взвешивается снова.
5. При взвешивании учитываются размеры печатной платы. Получив все значения, по формуле вычисляют актуальное количество нанесенного флюса (рис. 3).

Рис. 3. Расчетная формула для сухой технологии

Сухая технология взвешивания подходит для спиртосодержащих флюсов в силу быстрого испарения изопропилового спирта.

Для достижения оптимальных результатов пайки необходимо точно настраивать объем наносимого флюса. Для этого регулируется интенсивность подачи флюса (давление в контейнере с флюсом) и/или скорость перемещения головки флюсователя.

Объем наносимого флюса, указываемый в инструкции заводом-изготовителем, можно рассматривать лишь в качестве рекомендации.

Показатель оптимального объема нанесенного флюса — хорошие результаты пайки и допустимое количество остатков после ее проведения.

Избыточный объем нанесенного флюса негативно сказывается на внешнем виде изделий и является причиной большого количества остатков, которые подлежат отмывке. В противном случае неудаленные остатки повлияют на надежность изделия. Кроме всего прочего, избыточное количество наносимого флюса ведет к увеличению расходов, негативно влияет на влагозащитное покрытие, поверхностное сопротивление (SIR), а также заставляет чаще обслуживать машину.

Лучший способ определить нужное количество флюса — нанести максимально рекомендуемый производителем объем, запаять выводы и визуально осмотреть печатную плату. Объем флюса нужно сокращать до тех пор, пока не будут достигнуты оптимальные результаты пайки.

Результаты пайки также зависят и от однородности распыления флюса. Чтобы гарантировать минимальное количество производственных дефектов, необходимо в равной степени принимать во внимание однородность распыления, степень проникания в отверстия и объем флюса. Ниже приведено описание эксперимента для оценки объема наносимого флюса и его способности проникновения в металлизированные отверстия с применением безотмывочного флюса на водной основе.

Описание эксперимента

Для проведения эксперимента были определены три ожидаемые величины наносимого флюса. Данные значения выбраны в соответствии с параметрами, указанными в инструкции к флюсу от завода-изготовителя:

• минимальное количество: 450 мг/дюйм² (рис. 4, табл. 1);
• среднее количество: 950 мг/дюйм² (рис. 5, табл. 2);
• максимальное количество: 1500 мг/дюйм² (рис. 6, табл. 3).

Рис. 4. Минимальное количество наносимого флюса — 450 мг/дюйм². Индикаторная бумага после контроля флюсования инструментом ECD. Хорошие показатели равномерности и проникающей способности

Рис. 5. Среднее количество наносимого флюса — 950 мг/дюйм². Индикаторная бумага после контроля флюсования инструментом ECD. Хорошие показатели равномерности и проникающей способности

Рис. 6. Максимальное количество наносимого флюса — 1500 мг/дюйм². Индикаторная бумага после контроля флюсования инструментом ECD. Хорошие показатели равномерности и проникающей способности

Взвешивание платы производилось по влажной технологии, описанной выше. Для достижения ожидаемых величин были установлены параметры флюсователя и проведены весовые испытания, доказывающие повторяемость нанесения.

Для определения проникающей способности и равномерности нанесения флюса был использован флюсометр от американской компании ECD.

Дефекты пайки: недостаточное заполнение отверстий припоем

Существует множество причин, из-за которых металлизированное отверстие не до конца заполняется припоем. Среди них некачественное нанесение флюса, недостаточный предварительный нагрев, плохой контакт с волной, непродуманный теплоотвод в конструкции печатной платы, качество исполнения металлизированных отверстий, а также наличие всевозможных загрязнений.

Недостаточное заполнение отверстий припоем (рис. 7) является одной из самых сложных проблем волновой пайки и самой главной проблемой при пайке бессвинцовыми припоями. Основными причинами, приводящими к появлению данного дефекта, считаются некачественное нанесение флюса или неправильно выстроенная температура (недостаточный нагрев платы, включая внутренние медные слои). Еще на этапе разработки очень важно определить, какой из данных факторов становится причиной проблемы. Поэтому анализ однородности нанесения флюса и его проникающей способности в металлизированные отверстия представляет собой одну из наиболее значимых операций.

Рис. 7. Недостаточное заполнение отверстий припоем

Флюс должен быть нанесен таким образом, чтобы вся соприкасающаяся с припоем поверхность была хорошо им смочена. Это означает, что флюс должен не только присутствовать на контактной площадке с нижней стороны, но и полностью смачивать стенки отверстия, контактную площадку с верхней стороны, а также всю длину вывода компонента.

Если флюсователь настроен неправильно, то обеспечение смачиваемости флюсом всей паяемой поверхности может оказаться весьма сложной задачей.

Применение картона, бумаги для принтера или стеклянной пластины помогает определить площадь покрытия флюсом, но данные средства не позволяют проверить, проникает ли флюс внутрь металлизированных отверстий, и оценить, насколько глубоко.

На рис. 8 изображены картон и стеклянная пластина с распыленным на них флюсом. На основе картинки можно легко определить площадь распыления, но нельзя ничего сказать об однородности и способности флюса проникать внутрь отверстий.

Рис. 8. Картон и стеклянная пластина с распыленным на них флюсом

На рынке сегодня можно найти три типа индикаторной бумаги (табл. 4), позволяющей определять равномерность и площадь нанесения как для водорастворимых, так и для спиртосодержащих флюсов (IPA). В состав индикаторной бумаги входит раствор лакмуса или бромфенола синего, который при контакте с флюсом дает различный цветовой контраст.

Использование тестовой индикаторной бумаги обеспечивает хорошую визуализацию и контроль над распылением флюсователя. Однако бумага, взятая сама по себе, не способна дать информацию о том, насколько флюс глубоко проникает в металлизированные отверстия.

Флюсометр ECD (рис. 9) — инcтрумент, широко используемый в электронике для контроля не только однородности распыления, но и способности флюса проникать в сквозные отверстия.

Рис. 9. Флюсометр

Данный инструмент состоит из рамки/палеты, шаблона (платы с множеством сквозных отверстий) и индикаторной бумаги (рис. 10, 11).

Рис. 10. Шаблон

Рис. 11. Палета (1) + шаблон (2)

Чувствительная к флюсу бумага кладется поверх шаблона, который затем помещается в палету.

В процессе прохода флюсометра над флюсователем флюс проникает сквозь отверстия шаблона и, соприкасаясь с индикаторной бумагой, образует на ней отпечатки в натуральную величину. Результаты теста очень легки для понимания (рис. 12–16) и практичны с точки зрения хранения в качестве протоколов производственного контроля.

Рис. 12. Хорошая однородность нанесения и проницаемость. Флюс проник через все отверстия шаблона

Рис. 13. Плохая однородность нанесения и проницаемость. В некоторых местах выявляются пропуски

Рис. 14. Однородное нанесение флюса и хорошая проницаемость. Внизу платы отмечается избыточное количество флюса

Рис. 15. Обильное нанесение флюса, приводящее к перерасходу материала

Рис. 16. Пропуски: флюсователь не наносит флюс на обратном ходе

Заключение

Флюс играет ключевую роль в процессе пайки. Он удаляет оксиды, выступая в качестве кислородного барьера, предотвращает дальнейшее окисление и обеспечивает смачивание.

Правильно выстроенный процесс флюсования и корректные настройки флюсователя являются основой качества волновой пайки.

Расчет оптимального количества наносимого флюса — достаточно трудоемкий процесс, поскольку требует серии испытаний и большого количества времени в отличие от контроля площади нанесения и способности флюса проникать в сквозные отверстия, что значительно упрощает данный процесс и избавляет от потенциальных догадок относительно наличия дефектов пайки.

Применение индикаторной бумаги вместе с флюсометром ECD обеспечивает простую настройку и контроль процесса флюсования, а именно заполнение сквозных отверстий, контроль флюсования в динамике, обнаружение неправильных настроек, ведущих к отсутствию, недостатку или избытку флюса на плате, выявление забитых насадок.