Реферат: Технология соединения деталей радиоэлектронной аппаратуры

Соединение деталей пайкой,благодаря доступной и недорогой технологии, известно очень давно и по сей деньшироко применяется, несмотря на появление синтетических клеев и шпатлевок. Вэтом обзоре речь пойдет о пайке так называемыми мягкими припоями на основеолова, позволяющими ограничить нагрев деталей температурой около +250°С. Итак,что же нужно для пайки? Начнем с припоев. По поводу температуры: для припоя63/37 с температурой плавления 183°С рекомендуемый режим пайки 230°С. Припой нужноне только расплавить, но и обеспечить растекаемость и смачиваемость, отсюданебольшое превышение температуры плавления. Кстати, не надо путать температуруприпоя с температурой жала паяльника, для которого рекомендуется в среднем315°С. Дело в том, что тепло в соединение передается не мгновенно, поэтому дляподдержания 230°С в течение нужного времени в точке пайки необходим контакт спаяльником, нагретым до 315°С длительностью 1-1.5 сек. Уменьшение температуры ивремени может привести к неполной смачиваемости паяемой поверхности, увеличение- способствует процессу диффузии меди в припой и образованияинтерметаллического слоя CuPbSn. Это уже новое вещество с низкой проводимостьюи механически хрупкое. По всем стандартам этот слой не должен превышать 0.5 мкм,иначе соединение считается не прочным. Дозировка припоя, конечно, необходимадля образования соединения правильной формы, что обеспечивает с одной стороныпрочность, с другой — возможность визуального контроля. Общее правило можносформулировать примерно так: все мениски должны иметь вогнутый, но максимальноприближенный к прямому контур. Если мениск выпуклый невозможно будет визуальноотличить надежное соединение от не пропаянного, на котором припой принялвыпуклую форму за счет поверхностного натяжения. Однако сам процесс дозировкипроблемой не является. Для монтажа различных компонентов существую несколькоприемов оптимизации количества подаваемого припоя. Вот несколько характерныхпримеров.
1. Монтаж DIP корпусов и всех компонентов, устанавливаемых в отверстия.Клиновидный наконечник паяльника, слегка обложенный (только для того чтобыобеспечить надежный тепловой контакт) устанавливается на контактактную площадкупечатной платы, одновременно контактируя с выводом компонента. Другой рукойподается флюсосодержащий проволочный припой, который плавится о нагретуюконтактную площадку. Расплавленный флюс и припой стекает в металлизированноеотверстие, заполняя его. Подача прекращается сразу после образования мениска
между торчащим из платы выводом и контактной площадкой. Высота мениска должнабыть равна половине диаметра контактной площадки.
2. Пайка поверхностных микросхем. В этом случае применяется так называемая«мини волна». Это наконечник паяльника, срезанный под углом. Срезимеет углубление для увеличение сил поверхностного натяжения. Компонентустанавливают на плату, флюсуют, заполняют «мини волну» каплей припояи проводят ей сразу по всем выводам. При движении наконечника каждый контакт«погружается» в волну примерно на 1 секунду, забирая из нее оптимальноеколичество припоя. Лишний припой втягивается в наконечник за счетповерхностного натяжения. Т.е. дозировка припоя происходит автоматически. Такимприемом можно выполнять монтаж любых поверхностных компонентов кромекерамических CHIP конденсаторов ну и, конечно, BGA.
3. Монтаж CHIP компонентов горячим воздухом (термофеном) на паяльную пасту. Приэтой операции требования к дозировке самые высокие. Можно, конечно, наноситьпасту с помощью шприца, но это требует действительно «искусствооператора», так как после нанесения каждой капли паста продолжаетвыделяться за счет остаточного в шприце давления. Профессиональный метод — этоприменение пневмодозатора с вакуумной отсечкой.

Несколько секретов производственныхтехнологий.

О блестящейповерхности.
Такая поверхность достигается достаточным количеством флюса, минимальнымперегревом места пайки, свежим припоем эвтектического состава 63/37, как и былосказано выше. Минимизируя время прогрева, можно избежать заметного растворениямеди в припое и образования кристаллов интерметаллида SnPbCu, при наличиикоторых, естественно, не получить блеска. Как добиться этого? Нужно достаточномассивное медное, в идеале — серебряное (обуславливает значительнуютеплоемкость), с многослойным NiCrFe покрытием (гарантирует от растворенияматериала жала в припое), жало, достаточно мощный нагреватель (легкокомпенсирует потери тепловой энергии на расплавление припоя и нагрев местапайки) и система термостатирования (стабилизирует температуру жала). Нуженчистый трубчатый припой и хорошо подготовленные поверхности. Нагрев долженосуществляться минимально необходимое время.  Любые отступления от этих условийведут к необходимости длительных тренировок. При ручной пайке качество«достигается упражнением».

Холодная спайка.

Некоторыепредметы, как известно, нельзя спаять при высокой температуре, не подвергнувпорче. Для таких предметов рекомендуется следующий состав. Осажденная в порошкообразном состоянии медь перемешивается в фарфоровой ступке с концентрированной серной кислотой до получениянекрутой тестообразной массы, к общему весовому количеству которой добавляютпостепенно, при постоянном размешивании, 70 частей ртути.Когда таким образом получится однородная амальгама, ее хорошо промывают вгорячей воде для удаления кислоты и затем дают ей остыть. Спустя 10-12часовамальгама становится настолько твердой, что режет олово. В таком виде составуже вполне готов к употреблению, для чего его нагревают до консистенцииразмягченного воска и спаивают предметы; остыв, эта амальгама очень крепкодержит спаянные части.

Простой способ лужения.

Берут10 весовых частей поваренной соли, распускают в20 частях азотной кислоты, после чего к этомураствору добавляют 10 частей хлористого олова(оловянной соли) и 2,5 части хлористого аммония(нашатыря). К полученной смеси добавляют еще 40 весовых частей соляной кислоты и затем разбавляют ее небольшимколичеством воды. Приготовленная таким образом смесь вполне готова купотреблению. Подлежащий лужению предмет должен быть предварительно очищенсамым тщательным образом, затем все части его, которые не должны быть покрытыполудой, старательно натираются салом, после чего предмет погружают вприготовленную вышеуказанным способом смесь, в которой и оставляют, пока слойполуды не достигнет надлежащей толщины. Тогда, вынув предмет, остается толькотщательно вымыть его, чтобы он был вполне годен к употреблению. Помимоисправления или обновления полуды на посуде указанным способом можно покрыватьоловом для предохранения от ржавчины разного рода мелкие металлическиепредметы: рыболовные крючки, капканы, проволоки и т.д.

Сообщение оловянному припою медного цвета.

 Какизвестно, для припоя медных частей чаще всего употребляется олово, но такойприпой отличается одним недостатком: в местах спайки олово некрасиво выделяетсябелым пятном или белой полосой на медном фоне спаянных частей. Для устранениятакого недостатка рекомендуется следующий несложный прием: места припояпокрываются насыщенным раствором медного купороса,для чего 10 частей купороса растворяют в 35 частях воды и покрытые части припоярастирают, затем железной проволокой и этим способом омедняют спайку, послечего вторично покрывают спайку раствором из 1 части насыщенной купоросной медии 2 частей насыщенного цинкового купороса и растирают такое покрытие цинковойпалочкой. Обработанные таким образом места спайки могут быть отполированы итогда выступающие части оловянного припоя совершенно сливаются с медным тономспаянных частей.

Канифоль, флюс — чем они отличаются, когда и что применять?

Канифоль: неочищенная канифоль — есть материал кустаря времен Севернойвойны. Использовать его в современной электронике крайне нежелательно. Однако,это допустимо для пайки электротехнических изделий или плат с крупнымипроводниками, и где плотность монтаж стремиться к 0 компонентов на кв. м.платы. Проблемы в том, что она (то есть канифоль) содержит кучу натуральныхпримесей, которые после модификации под воздействием тепла и кислоты становятсяопасными с точки зрения коррозии и электрической проводимости.
Раствор канифоли в спирте или бензине: ничего не меняет от вышеописанногослучая. Вся та же гадость, + грязь привнесенная с бензином и спиртом. Такиеплаты надо мыть всем, что попадает под руку, поскольку не мы видим толькоменьшую часть примесей, и они смываются далеко не всем.

Одно замечание, мы говорим о разных канифолях. Естьканифоль, которая лежит у каждого дома на антресолях, есть канифоль, котороймаэстро Растрапович канифолит смычок, есть канифоль, производимая гигантамитипа Multicore или Alpha Metalls для нужд электронного капитала. Это трибольшие разницы. Даже в отечестве существовало разделение канифоли на марки: А,Б, может, и далее. Для монтажа РЭА допускалось применение канифоли марки А.

Как определить? — Визуально! Наилучшая имеет светло — желтый свет,прозрачна, без включений. Мы упомянули Multicore, их припой самый«крутой» потому, что он содержит не одну, а целых 5 или 6 жил флюса впроволочном припое. Полагаю, что наличие большого количества каналов с флюсомобеспечивает лучшее распределение флюса по поверхности расплавленного припоя, аэто ведет к лучшей очистке поверхности от окислов меньшим количеством флюса,что, в свою очередь, минимизирует количество золы и шлама

Флюсыэлектронного класса: Основное их отличие заключается в степени кислотности. Чемстарее паяемый вами контакт, чем больше на нём окислов, чем эти окислыустойчивее к кислоте, тем выше должна быть кислотность флюса. МЫТЬ ИЗДЕЛЕЕ ПОСЛЕ ПАЙКИ НУЖНО ВСЕГДА. Выникогда не можете быть уверенным, что осталось на плате после вашего ковырянияеё паяльником, и как это повлияет на дальнейшую работоспособность изделия.Количество флюса должно быть минимально, но достаточно для осуществления своихфункций: удаления грязи, окислов, обеспечение растекания и формообразованияприпоя.

Маркировки припоев.

Всё что я буду писать, ниже переписано из ОСТа 4ГО.033.200, то есть описание того, как это должно быть, если бы эти припоипроизводились под контролем ГосТехНадзора на заводе указанном в ОСТе — «РязЦветМет». Как есть на самом деле не знаю. Все припои содержат59-61% олова, остальное свинец. Буква «П» в конце означает, чтоприпой повышенной чистоты. Буква «М» означаем, что в припое должнабыть медь в диапазоне 1.2-2.0%. Температура плавления, Liquidus (окончаниеполного плавления):
ПОС61; ПОС61-П — 190 град.°С
ПОС61М — 192 град. С
Временное сопротивление разрыву при 20 град.°С
ПОС61; ПОС61-П — 42.18 Х 10^6 н/кв. м
ПОС61М — 44.18 Х 10^6 н/кв. м
Теплопроводность:
ПОС61; ПОС61-П — 50.24 Вт/(м*К)
ПОС61М — 48.98 Вт/(м*К)
Удельное электрическое сопротивление:
ПОС61; ПОС61-П — 0.139 х 10^-6 (Om*m)
ПОС61М — 0.143 х 10^-6 (Om*m)
ПОС61М не разрешен к лужению и пайке в тиглях и ваннах из-за повышеннойсклонности к зернистости сплава при затвердевании, и густоты расплава, чтоухудшает его технологические свойства.

Паяльник

Керамическийнагреватель напоминает печатную плату, ноне на стеклотекстолите, а на керамике и все это скручено в трубу. Наконечникустанавливается либо снаружи либо внутри этой трубы. Достоинство такойконструкции (на мой взгляд, сомнительное) в малой тепловой инерционности, т.е.паяльник после включения может выйти на рабочую температуру за 10 сек. Однакопри работе на многослойных платах или в иных условиях сильного тепло отводаначинает сказываться относительно низкая теплопроводность керамики (посравнению с медью) и система не успевает компенсировать тепло потери итемпература падает.

 Нихромовый нагреватель интересен только, если онвыполнен на медном сердечнике. Нагревается он относительно медленно, на 300градусов за 1 минуту, зато никаких проблем с компенсацией теплопотерь. Т.е. нетнеобходимости делать запас в задание температуры. Различие в теплопроводностиусиливается из-за разной системы крепления наконечника. У паяльников РАСЕ,например, наконечник прижимается боковым винтом по всей длине к медномусердечнику нагревателя. Площадь теплового контакта очень большая. В случае скерамикой сильный прижим использовать нельзя вследствие хрупкости материала,т.о. наконечник одевается или вставляется в нагреватель с воздушным зазором,препятствующим теплопередаче. И, наконец, надежность! Известно, что керамика,выдерживает высочайшие температуры, но при этом плохо переносит быстрый нагреви охлаждение, образуя микротрещины. Современная технология ручной пайкипредполагает, что на рабочем месте имеется влажная губка для снятия припоя ииных наслоений с рабочей поверхности жала. Набрав некоторое количество припоя сфлюсом, оператор совокупляет спаиваемые детали, жало с припоем и, если надо,дополнительное количество припоя. Вся масса припоя переходит в жидкоесостояние, припой растекается по месту пайки. Оператор ждет немного(неопределенное время — вот оно, искусство оператора!), затем удаляет жало,место пайки остывает, припой затвердевает. Что дальше? Дальше, скорее всего,оператор кладет паяльник на подставку. Некоторое количество материаласпаиваемых деталей перешло в припой, который остался на жале. Паяльник лежит,интерметаллиды растут… Оператор снова берет паяльник, процесс повторяется.Как правило, жало начинают чистить, когда зола флюса начинает мешать работе.Очищайте жало перед предварительным набором припоя!!! Тогда припой в местепайки будет свежим, без интерметаллидов и окислов припоя, — именно это я имел ввиду. Многие юго-восточные производители стали применять для очистки жалавместо губки клубок металлической стружки. Очищает жало очень эффективно +более безвредно.

Техника безопасности

Чтобы ответить точно навопрос, чем вы дышите, нужно точно знать, чем и что вы паяете. Всеперечисленные материалы выделяют одно и тоже, поскольку состоят из одних и техже составляющих: олова, свинца, иногда кадмия, сурьмы, канифоли, всевозможныхнатуральных и синтетических растворителей и имульгатовор.
Таким образом вы, я так подозреваю, дышите парами всех, или одного из,перечисленных металлов и их окислами. Канифоль и синтетические добавкимодифицируются и вступают в реакцию. Чаще всего в ваши трохеи, бронхи и прочиеальвиоллы попадают как пары компонентов флюсов (смотри техпаспорт на припой ифлюс, и пасту) так и их модификанты, в основном фенолы и альдегиды всегоперечисленного выше. Добавим сюда букет органических кислот и солей (в томчисле и свинца) и получим в итоге дивный букет алергентов.
Аллергия — это самое приятное, что можно получить в итоге многодневноговдыхания предложенного «меню». Следующее по мере приятности — повышенное раздражение слизистой оболочки и слабая сопротивляемость краспираторным заболеваниям. Людям, чьи предки страдали от астмы, мы нерекомендуем долго находиться рядом с паяльником. И на конец, не хочу васпугать, но при определенном стечении обстоятельств, и предрасположенности иливрожденной склонности, или просто случайно… Я не видел сам, но говорят, чтои… ну вообще и раком.
Ваше здоровье дорого для нас, поэтому применяйте все что можно. Но самоеэффективное средство — это вечерние прогулки на свежем воздухе, и дымоулавителиPACE. В заключение сделаем важное замечание. Любые работы с переноснымэлектроинструментом, если он не снабжен корпусом с двойной изоляцией (апаяльник не снабжен!), допускаются вне помещений с изолирующим полом только принапряжении питания не более 36 В. К сожалению, мощных паяльников с такимрабочим напряжением вы не найдете. Поэтому, чтобы обезопасить себя, наскольковозможно, от поражения током, следует предпринять определенные меры.

Не пренебрегайте правиламиэлектробезопасности, ведь ваша жизнь дороже!