Паяные соединения не являются «классически» механическими: в соответствии с ГОСТ и IPC стандартами к ним предъявляются только требования обеспечения электрического контакта между спаиваемыми поверхностями. Механическая прочность нормируется для сварочных соединений - Пайка труб дает сварное соединение, а флюс при этом используется сварочный. Мы же рассмотрим флюсы для пайки радио и микроэлектроники.
Вначале определимся, что такое «Пайка». Это «Образование неразъемного соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, их смачивания припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации» (ГОСТ 17325-79).
Основная задача флюса — удаление оксидной пленки с поверхности контактных площадок печатной платы и выводов монтируемых элементов.
Классификация флюсов для пайки
Флюсы для монтажа микроэлементов можно разделить по активности на низко- (L-Low), средне-(M-Medium) и высокоактивные (H-High), а по составу — на канифольные «Rosin (RO)», синтетические «Resin (RE)» и органические «Organic (OR)». С содержанием галогенов (элементов галлойдной группы) «1», или без них «0». Теперь мы понимаем, как расшифровать у производителя тип флюса «ROL 0», а также его отличия от флюса «REM 1».
Упрощенно принцип работы галогенсодержащих флюсов выглядит так:
1. Ионы галогенов реагируют с оксидной пленкой, связывая оксид металла.
2. Кислотные реагенты, содержащиеся во флюсе, восстанавливают галоген.
3. Восстановленный галоген реагирует с оксидной пленкой.
Принцип работы безгалогенных флюсов схож с принципом работы галогенсодержащих флюсов, но существует ряд отличий. У безгалогенных флюсов (HF) процесс восстановления металла из оксида протекает медленнее относительно галогенсодержащих флюсов и сильно зависит от температуры. В связи с этим в состав HF-флюсов вводится большое количество различных активаторов, которые позволяют сохранить химическую активность в широком диапазоне температур.
Хотя содержание галогенов для обеспечения работы флюса требуется незначительное, в масштабах промышленного производства галогенная технология наносит вред окружающей среде. На данный момент в мире галогенсодержащие паяльные материалы используются, в основном, в военной и космической промышленности (В более ответственных применениях).
Рассмотрим более подробно типы флюсов по основе:
Канифольные флюсы для пайки (RO)
Канифоль — твердая природная смола с высокой температурной стабильностью в процессе пайки. Высокая плотность канифольного флюса снижает вероятность образования шариков и сосулек припоя. Остатки канифольного флюса легко отмываются. Кроме канифоли, в состав флюса RO входят растворители и активаторы, которые разрывают химические связи канифоли и повышают ее химическую активность. После пайки растворители улетучиваются, и канифоль в остатках флюса претерпевает поликонденсацию: вновь образуется сшитый полимер. После поликонденсации остатки натуральной канифоли могут стать хрупкими, их свойства не регулируются.
Синтетические флюсы для пайки (RE)
Флюсы на основе синтетических смол производятся с фиксированным массо-молекулярным распределением, поэтому свойства остатков контролируются производителем. Остатки низкоактивных синтетических флюсов становятся защитным покрытием. Эти остатки тяжелее поддаются отмывке, если необходимость в ней все-таки возникнет.
Органические флюсы для пайки (OR)
Флюсы на органической основе состоят из низкомолекулярных органических кислот и растворителей. При пайке растворители сильно активируют кислоты и испаряются вместе с ними почти без остатка. Немногочисленные остатки инертны и легко отмываются. Недостаток: быстрое испарение активных компонентов флюса сужает технологическое окно пайки.
Совместимость флюсов
Не рекомендуется смешивать флюсы с различной основой, потому что они по определению несовместимы. Нельзя смешивать и флюсы на одинаковой основе, потому что растворители и активаторы разных композиций флюса реагируют между собой непредсказуемо, и из двух композиций с известными свойствами получается третья — с неизвестными свойствами.
Производители паяльных материалов указывают совместимость своих продуктов.
Отмывка паяльного флюса
Разберемся, стоит отмывать остатки флюса после пайки или нет.
В спецификации флюса производитель указывает требования к отмывке остатков флюса после пайки.
Высокоактивный флюс и флюс с неорганическими активаторами требуют обязательной отмывки. Если не удалить остатки флюса, то под действием водяных паров, содержащихся в воздухе, будет происходить следующее: - диссоциация компонентов флюса на ионы, что приведет к электромиграции и возникновению короткого замыкания между соседними контактными площадками;
- образование интерметаллидов внутри паяного соединения;
- остатки кислот вызовут коррозию паяного соединения.
Среднеактивный флюс. Хотя химическая активность таких флюсов при нормальных условиях практически равна нулю, во избежание образования дефектов паяного соединения остатки флюса рекомендуется удалять.
Низкоактивный флюс. Остатки подобных флюсов химически инертны и могут служить защитным покрытием паяных соединений. Требования по отмывке могут быть, например:
- косметические (светодиодное освещение);
- необходимость лакировки (в приборах, которые работают в агрессивных средах — солевой туман и т. д.).
Мы рекомендуем производить отмывку паянных соединений для повышения срока службы изделия и снижения вероятности выхода из строя смонтированного печатного узла.
Возникает вопрос: чем отмывать остатки флюса?
Условно флюсы можно разделить на водоотмывные и флюсы, требующие отмывки растворителями (спецжидкостями). Остатки водоотмывных флюсов в идеале отмываются последовательно обычной, дистиллированной и деионизированной водой, причем на каждом этапе применяют струйную отмывку или ультразвук.
Отмывка флюсов с использованием специальных жидкостей делится на два этапа: Удаление остатков самого флюса с последующим удалением растворителя (спецжидкости).