Александр Смирнов,
начальник отдела
технологии и материалов
ООО «Глобал Инжиниринг»
Одной из особенностей современного сборочно-монтажного производства является применение на всех стадиях производственного процесса различных технологических материалов. В этой связи, одна из задач, стоящих перед технологами, заключается в обеспечении применения только совместимых материалов в рамках технологического процесса производства. Особенно важно соблюдать совместимость при выборе паяльных материалов. Жидкие флюсы, флюсы, входящие в состав паяльных паст и трубчатых припоев при совместном использовании в рамках одного печатного узла (ПУ) должны быть совместимыми между собой. В данном случае, совместимость определяется отсутствием реакций между флюсующими композициями в процессе их нанесения, пайки и отмывки.
Многие производители электроники, в силу специфики выпускаемой продукции, вынуждены осуществлять отмывку печатных узлов от остатков флюса. Отмывка остатков современных флюсующих композиций — задача не из легких. Приходится удалять не только остатки флюсов паяльных паст, но также, довольно часто, остатки жидких флюсов и флюсов, входящих в состав трубчатых припоев. При этом, к промывочным жидкостям, используемым для удаления остатков флюса также предъявляются требования по совместимости с этими загрязнениями. В данном случае совместимость означает способность промывочной жидкости эффективно удалять остатки конкретных флюсов. Большинство производителей промывочных жидкостей предлагают универсальные решения, пригодные для удаления большинства флюсов паяльных паст. Однако, утверждение, что промывочная жидкость эффективно удаляет остатки тех или иных флюсов должно основываться на конкретных экспериментальных данных.
Компания KYZEN — ведущий мировой производитель промывочных жидкостей регулярно проводит исследования способности различных жидкостей эффективно удалять остатки флюсов паяльных паст. Стандартная процедура испытаний на совместимость жидкостей и остатков флюсов предполагает глубокий анализ химического состава загрязнений и подбор оптимальных режимов отмывки для различных жидкостей и различных видов агитации. В рамках данной статьи рассмотрена типовая процедура подбора промывочной жидкости и наилучших режимов отмывки для удаления остатков флюса паяльной пасты АР-10 производства компании ELSOLD (рис. 1).
ОПИСАНИЕ ПРОДУКТА
Паяльная паста АР-10 содержит в своем составе флюс, классифицируемый, как не требующий отмывки. Паста применяется в технологии смешанного монтажа для одновременной пайки компонентов и плат, имеющих как свинецсодержащую, так и бессвинцовую металлизацию выводов и контактных площадок. Благодаря длительному времени жизни на трафарете паяльная паста АР-10 идеально подходит как для крупносерийных, так и для лабораторных производств. Остатки флюса паяльной пасты — прозрачные, слегка желтоватого цвета.
СКОРОСТЬ УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
В крупносерийных производственных компаниях при высокой загрузке технологического оборудования одним из ключевых факторов, определяющих эффективность производства, является производительность процесса отмывки. Производительность непосредственным образом зависит от типа применяемого оборудования и возможностей промывочной жидкости по максимально быстрому и полному удалению загрязнений с поверхности ПУ. Скорость удаления загрязнений складывается из двух составляющих — статической и динамической [1]. Статическая составляющая определяется скоростью растворения загрязнений в среде промывочной жидкости без внешнего механического воздействия. Динамическая составляющая связана с агитационным воздействием на жидкость в процессе отмывки. Для определения статической составляющей процесса в лабораториях компании KYZEN применяется 2 метода. Первый метод основан на определении параметра растворимости Хансена для каждого из типов флюсов. Оценка данного параметра позволяет понять какой набор компонентов промывочной жидкости наиболее эффективен для растворения загрязнений. Второй метод заключается в определении того, какая промывочная жидкость оптимально подходит для растворения конкретных флюсов. Данный метод позволяет понять, ориентируясь на специфику промывочной жидкости, какая из технологий отмывки наилучшим образом подходит для удаления остатков флюсов данной паяльной пасты.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРА РАСТВОРИМОСТИ ХАНСЕНА
Для того чтобы определить какой набор растворителей является наиболее эффективным для удаления остатков флюсов паяльной пасты АР-10, специалисты KYZEN провели ряд экспериментов. На несколько подложек из стеклотекстолита была последовательно нанесена и оплавлена паяльная паста АР-10. Далее подложки были помещены в различные растворители с известными заранее параметрами растворимости. После определенного времени воздействия растворителей на остатки флюсов паяльных паст, всем тестовым купонам были присвоены условные коэффициенты, в зависимости от степени растворения остатков флюса (рис. 2). С использованием специализированного программного обеспечения полученные данные были проанализированы и получен комплексный параметр растворимости для конкретной паяльной пасты.
На рис. 2 коэффициент 6 присвоен растворителю, который слабее всех остальных воздействовал на загрязнения, коэффициент 1 — растворителю, который обеспечил полное удаление остатков флюса. Данные, полученные в результате оценки параметра растворимости Хансена позволяют понять какими необходимыми свойствами должен обладать растворитель для разрушения структуры остатков флюса. В результате проведенных исследований было установлено, что остатки флюса паяльной пасты АР-10 обладают высокой растворимостью, низкой полярностью и умеренными водородными связями. На основании полученных данных был сделан вывод, что для эффективного удаления остатков флюса паяльной пасты АР-10 необходимо использование водных растворов промывочных жидкостей.
ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ
В первой серии экспериментов был определен оптимальный тип промывочной жидкости для удаления остатков флюса паяльной пасты АР-10. Проведенные исследования показали, что наилучшие результаты отмывки будут достигнуты при использовании водных растворов промывочных жидкостей. Во второй серии статических экспериментов проводятся исследования с целью определить, какой конкретный продукт из линейки KYZEN покажет оптимальные результаты растворения загрязнений.
Как и в первой серии экспериментов, были подготовлены несколько тестовых купонов с нанесенной и оплавленной паяльной пастой АР-10.
Подготовленные образцы были помещены на 10 минут в колбы с промывочными жидкостями при различных температурах и концентрациях.
Для обеспечения однородности промывочных жидкостей в процессе проведения данной серии статических экспериментов, колбы с тестовыми купонами и промывочными жидкостями были помещены в лабораторный миксер (рис. 3). По истечении 10-минутного временного интервала тестовые купоны были извлечены из колб. При визуальной оценке статической составляющей процесса отмывки каждому из образцов ставились в соответствие коэффициенты, приведенные в таблице 1.
Полученные данные были обработаны с использованием специального статистического программного обеспечения. В результате были получены графические зависимости критериев качества отмывки от различных параметров процесса отмывки (рис. 4), на основании которых были сформулированы рекомендации по удалению остатков флюса паяльной пасты ELSOLD AP-10 промывочными жидкостями KYZEN, США.
Обобщенные результаты второй серии экспериментов приведены в таблице 2.
ДИНАМИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ПРОЦЕССА ОТМЫВКИ
В процессе отмывки печатных узлов от остатков флюсов немаловажную роль играет не только химический состав и композиция промывочной жидкости, но также и количество энергии, необходимой для удаления жидкостью загрязнений. Динамика жидкостей увеличивается при подаче жидкости на загрязненную поверхность под давлением. При использовании жидкостей на основе растворителей наибольший вклад в результат процесса отмывки вносит статическая составляющая процесса, обусловленная растворяющей способностью жидкостей. При использовании жидкостей на водной основе эффективность удаления загрязнений в значительной степени зависит от динамической составляющей процесса отмывки, обусловленной агитацией раствора.
Существует 5 ключевых факторов, оказывающих влияние на качество удаления остатков флюса (рис. 5). К ним относятся:
- тип флюса;
- температура пайки;
- зазор между корпусом компонента и поверхностью платы;
- химический состав промывочной жидкости;
- особенности применяемого оборудования.
ТИП ФЛЮСА
Припои достаточно быстро окисляются в присутствии воздушной среды, повышенной влажности и нагрева. Окисление приводит к появлению непроводящих, плохо смачиваемых пленок. Флюс в составе паяльных паст является своеобразным очистителем, который удаляет пленки оксидов с поверхности металлов, обеспечивает смачивание поверхностей припоем и способствует созданию необходимого интерметаллического соединения. При нагреве из флюса испаряются растворители с низкой точкой кипения, активаторы, входящие в состав флюса удаляют оксиды с поверхностей, а канифольная составляющая обеспечивает надежную защиту от повторного окисления поверхностей в процессе пайки.
На результат процесса пайки влияют многие составляющие. Среди прочих это: насыщенность печатной платы компонентами, плотность монтажа, теплоемкость компонентов, размер контактных площадок. Данные факторы непосредственным образом влияют на подбор химического состава флюса и, как следствие, на выбор паяльной пасты. Производители паяльных паст разрабатывают и производят новые технологические материалы с учетом тенденций миниатюризации, требований бессвинцовой технологии и др. При этом, современные флюсы в составе паяльных паст должны выдерживать высокие температуры пайки, быть стойкими к пригоранию (рис. 6), эффективно предотвращать окисление паяемых поверхностей. Все это приводит к тому, что изменяется растворимость остатков флюса и для их удаления возникает необходимость использовать современные промывочные жидкости. За последние 20 лет производители промывочных жидкостей научились изготавливать химические композиции, позволяющие эффективно удалять остатки флюсов даже после нескольких циклов пайки оловянно-свинцовыми сплавами. Для соответствия бессвинцовым технологиям пайки паяльные пасты должны содержать более активные и стабильные флюсующие композиции, которые удаляют оксиды при более высоких температурах пайки и обеспечивают смачивание поверхностей бессвинцовыми сплавами, заведомо обладающими худшей смачиваемостью. Остатки таких флюсов более жесткие и требуют применения более активных промывочных жидкостей и приложения большей энергии для их удаления.
ТЕМПЕРАТУРА ПАЙКИ
В процессе пайки оплавлением, как известно, печатная плата с нанесенной паяльной пастой и установленными компонентами проходит несколько температурных зон. Температура, поддерживаемая в данных зонах и время нахождения изделия при температуре выше температуры ликвидуса сплава паяльной пасты, оказывает влияние на последующее удаление остатков флюса. Продолжительное воздействие на платы температуры выше температуры ликвидуса сплава может приводить к окислению, высокой степени полимеризации остатков флюса. При пайке печатных узлов с большой теплоемкостью может потребоваться продолжительный предварительный нагрев, в процессе которого остатки флюса полимеризуются и для их удаления может потребоваться применение агрессивных растворителей.
ЗАЗОР МЕЖДУ КОРПУСАМИ КОМПОНЕНТОВ И ПОВЕРХНОСТЬЮ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
Миниатюризация современной элементной базы приводит к тому, что расстояние между платой и корпусом компонента неуклонно стремится к нулю [2]. В процессе пайки флюс, входящий в состав паяльной пасты проникает под корпус компонента, каким бы не был зазор между ним и платой. На этапе отмывки промывочная жидкость обязана разрушить остатки флюса, препятствующие ее попаданию под корпуса компонентов и эффективно очистить пространство под корпусом от всех имеющихся загрязнений (рис. 7). На сегодняшний день задача отмывки от остатков флюса под корпусами компонентов является одной из наиболее сложных задач, решение которой непосредственным образом связано с подбором оптимальной промывочной жидкости.
ПРОМЫВОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ
Идеальная промывочная жидкость должна соответствовать нескольким критериям:
- быть экологически безопасной и биоразлагаемой;
- быстро растворять полярные протоносодержащие, биполярные и неполярные загрязнения;
- легко смываться водой с обрабатываемой поверхности;
- обладать длительным сроком жизни;
- быть совместимой с оборудованием для отмывки, паяльной маской и элементной базой;
- и при всем этом обладать низкой стоимостью.
В реальных производственных условиях подобрать оптимальную промывочную жидкость, удовлетворяющую всем обозначенным требованиям можно только экспериментальным путем, опираясь на рекомендации производителей материалов. Для удобства выбора конкретного материала специалисты компании KYZEN разрабатывают и производят универсальные промывочные жидкости, применение которых позволяет эффективно удалять остатки флюсов большинства представленных на рынке паяльных паст.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТМЫВКИ
Технологическое оборудование, применяемое для отмывки печатных узлов от остатков флюса должно обеспечивать проникновение промывочной жидкости под корпуса компонентов. Удаление визуально наблюдаемых остатков флюса с поверхности печатных плат при правильной организации процесса отмывки не представляет сложности. Как уже было сказано ранее, наиболее критичные области для отмывки находятся под корпусами компонентов. В этой связи, применяемое оборудование должно «доставить» промывочную жидкость в необходимые области печатных узлов и сообщить ей механическую энергию, достаточную для разрушения загрязнений.
Как показали результаты проведенных исследований, для удаления остатков флюса паяльной пасты ELSOLD AP-10 рекомендуется применять жидкости на водной основе, входящие в линейку продуктов Aquanox. Данные промывочные жидкости предназначены для использования в струйных системах отмывки и при правильном подборе параметров процесса отмывки позволяют полностью удалить остатки флюсов как с поверхности печатных узлов, так и из-под корпусов компонентов. Наиболее распространенная на сегодняшний день промывочная жидкость для струйных систем отмывки — Aquanox A4241 (рис. 8).
Специалисты компании KYZEN в своих лабораториях провели серии экспериментов, аналогичных описанным в данной статье и установили, что промывочная жидкость Aquanox A4241 без труда удаляет остатки флюсов большинства присутствующих на рынке паяльных паст, флюсов и клеев, в число которых входят материалы, приведенные в таблице 3.
Владея информацией о совместимости промывочных жидкостей и паяльных материалов, применяемых на производстве, организация технологической операции отмывки сводится к проверке совместимости жидкости с элементной базой и печатными платами, и, в конечном итоге, к подобру режимов отмывки, обеспечивающих полное удаление остатков флюсов не только с поверхности печатных плат, но и из-под корпусов компонентов.
Литература
- Смирнов А. М. Промывочные жидкости на водной основе. Как они работают?// Технологии в электронной промышленности, №1, 2011.
- Смирнов А. М. Промывочные жидкости на водной основе. Факторы, влияющие на качество отмывки//Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, №8, 2010.