Отмывка печатных узлов Часть I. Надуманная потребность или необходимость? Технологии

KiT#41(6)_web.qxd
9/29/2004
2:22 PM
Page 174
Технологии
Компоненты и технологии, № 6’2004
Отмывка печатных узлов
Часть I. Надуманная потребность или необходимость?
До сих пор одной из самых спорных тем в производстве электроники остается вопрос
необходимости отмывки остатков флюсов после пайки. Увеличение степени интеграции
компонентов приводит к постоянному уменьшению зазоров под корпусами компонентов;
использование современных флюсов для пайки с низким содержанием твердых веществ
и на синтетической основе требует применения высокотехнологичных и дорогостоящих
процессов отмывки печатных узлов после пайки. Всегда ли неудаленные остатки флюса
могут приводить к катастрофическим последствиям в процессе эксплуатации аппаратуры?
На этот вопрос мы постараемся дать ответ в настоящей статье.
Алексей Ефремов
[email protected]
сновные функции отмывки печатных узлов — удаление остатков флюса, которые
в процессе эксплуатации электронной аппаратуры могут оказать негативное воздействие
на надежность печатных узлов, препятствуют нанесению влагозащитных покрытий, затрудняют выполнение электрического контроля, а также ухудшают внешний вид изделий. В современной технологии сборки печатных узлов наибольшее распространение получили процессы с применением флюсов, не требующих отмывки после пайки. К таким
флюсам в соответствии с международным стандартом J-STD-004 относятся канифольные слабо активированные флюсы, флюсы с низким содержанием
твердых веществ и флюсы на органической основе.
Такие флюсы обычно не требуют удаления остатков после пайки при условии эксплуатации аппаратуры в нормальных климатических условиях.
Тем не менее в некоторых случаях может возникать
необходимость удаления остатков флюса.
Остатки канифольных флюсов и флюсов с низким содержанием твердых веществ состоят из:
• канифоли или синтетических смол и их остаточных продуктов;
• активаторов и продуктов их реакции.
В качестве активаторов обычно используются органические кислоты и галогенные соединения. Последние обладают свойствами ионов. Остатки таких
флюсов не удаляются водой или спиртом. Широко
применяемая спирто-бензиновая смесь тоже обладает крайне низкой эффективностью — плохо удаля-
О
Таблица. Типы загрязнений
Полярные
Соли гальванических растворов
Соли травильных растворов
Соли пота
174
Неполярные
Масла
Жиры
Смолы
Канифоль
Волосяное масло
Отпечатки пальцев
Косметика
Активаторы флюсов
Кремы для рук
Тиксотропные средства
Тиксотропные средства
ются остатки флюсов с низким содержанием твердых
веществ, не удаляются ионные водорастворимые
компоненты (остатки активаторов, минеральные соли, остатки травильных растворов и электролитов).
В процессе изготовления, хранения и сборки печатных плат на них остаются различные полярные
и неполярные загрязнения, некоторые из них приведены в таблице.
Необходимость удаления остатков флюсов
Высокая температура
Остатки флюсов на основе природной химически обработанной канифоли или искусственных
смол примерно до температуры 100 °С являются
хорошими изоляторами. Если происходит повышение температуры более 100 °С, остатки флюса
сначала размягчаются, а потом начинают плавиться,
оказывая диссоциирующее воздействие, приводящее к образованию карбоксильных ионов. В результате возникающей ионизации изменяются электрические свойства, остатки флюса становятся
проводником. Таким образом, возникает опасность
повышенных токов утечки и коротких замыканий.
www.finestreet.ru
KiT#41(6)_web.qxd
9/29/2004
2:22 PM
Page 175
Технологии
Компоненты и технологии, № 6’2004
Повышенная влажность
Проблема понижения поверхностного сопротивления особое значение приобретает
в современных условиях развития электроники по двум основным причинам:
1. уменьшаются расстояния между проводниками;
2. полупроводниковые компоненты развиваются от низкоимпедансных цепей к высокоимпедансным, имея тенденцию к уменьшению потребляемой энергии.
Поэтому столь малые токи утечки как 10–12 А
иногда существенно нарушают работу элементов логики. Токи утечки могут возникать за счет
присутствия ионных компонентов. Однако даже канифольные остатки флюса могут стать
проводником при наличии тонкого слоя влаги. Влага в сочетании с диоксидом углерода,
адсорбированным из воздуха, формирует
на поверхности канифоли карбоновую кислоту, которая имеет высокое содержание ионов.
Другие причины возникновения повышенных токов утечки
Токи утечки могут увеличиваться за счет
появления в процессе пайки шариков припоя, остатков травильных растворов или солей припоя, а также в случае роста металлических нитей. Металлические нити — это волосоподобные кристаллы, которые растут
спонтанно без приложения напряжения.
Обычно нити растут на 0,01–10 мм в год
и имеют диаметр в несколько микрон.
Как правило, тенденцию к образованию нитей имеют контактные площадки, покрытые
электрохимическим оловом.
Устранение подобных загрязнений достигается путем применения специализированного оборудования отмывки и эффективных
промывочных жидкостей.
Дендриты
Дендриты тоже представляют собой металлические нити или кристаллы, которые
растут на поверхности металла, но по электролитическому механизму (рис. 1). То есть
для роста дендритов необходимо иметь электролит и напряжение. Скорость роста дендритов на катоде может достигать 0,1 мм в минуту. Аналогичный рост дендритов происходит и на аноде, но значительно медленнее.
Рост дендритов наблюдается на проводниках
с покрытием из серебра, меди, олово-свинца,
золота, золото-палладия. Область роста дендритов ограничивается зоной поверхностного
ионного загрязнения и наличием влаги.
Влагозащитные покрытия
Для предохранения от воздействия влаги
и агрессивных сред печатные узлы часто покрываются влагозащитными покрытиями.
При этом особое внимание следует уделить
совместимости влагозащитных материалов
с остатками флюсов. Если остатки флюса несовместимы с влагозащитным покрытием,
возможно ухудшение адгезии, отшелушивание и отслаивание влагозащитных покрытий
(рис. 2). Важным параметром также является
количество остатков флюса. Чем больше остатков флюса, тем выше вероятность возникновения дефектов влагозащитного покрытия.
Рис. 2. Отслоение влагозащитных покрытий
с печатных плат с не удаленными остатками флюса
Внешний вид изделия
Как правило, флюсы, не требующие отмывки, оставляют малозаметные остатки, незначительно ухудшающие внешний вид печатных
узлов, тем не менее, в ряде случаев остатки
флюсов приходится удалять по требованию заказчиков в косметических целях (рис. 3).
a)
Рис. 1. Рост дендритов на поверхности паяного
соединения
www.finestreet.ru
б)
Рис. 3. Внешний вид паяных соединений
с удаленными (а)
и не удаленными (б) остатками флюса
Рис. 4. Контакты, покрытые остатками флюса
Высокое сопротивление контактов
Неудаленные остатки флюса могут покрывать тестовые площадки и контакты краевых
разъемов (рис. 4). Так как канифоль и синтетические смолы при комнатной температуре
являются хорошими изоляторами, тестовые
точки могут иметь очень высокое сопротивление контактов, препятствуя обеспечению
электрического контроля.
Ручная пайка
Отечественные производители достаточно
часто применяют жидкие «безотмывочные»
флюсы для ручной пайки, полагая, что их остатки не требуют удаления. Однако большинство жидких флюсов, не требующих отмывки, специально разработаны для машинной пайки волной припоя — только этот
способ пайки гарантирует выгорание и разложение активаторов флюсов, не требуя обязательного удаления остатков после пайки.
Зачастую необходимость удаления остатков жидких флюсов при ручной пайке вызвана только частичным выгоранием активаторов. Флюс при ручной пайке, как правило, наносится кисточкой и попадает
не только в места, подлежащие пайке,
но и вокруг них на паяльную маску, соседние проводники и компоненты. Нагрев
до температуры пайки производится локально, только в местах образования паяных соединений. Весь остальной флюс не подвергается термической обработке и сохраняет
свою активность.
Воздействие остатков активаторов
Активаторы, входящие в состав флюса,
содержат ионные соединения (галогены, соли и кислоты), которые в свою очередь могут вступать в реакцию с влагой, влияя
на уменьшение поверхностного сопротивления. Несмотря на то что остатки флюсов
очень редко приводят к отказам в процессе
работы, последствия коррозии могут быть
очень серьезными (рис. 5). Наиболее распро-
Рис. 5. Последствия коррозии — разрушение
проводника
175
KiT#41(6)_web.qxd
9/29/2004
2:22 PM
Page 176
Технологии
Компоненты и технологии, № 6’2004
a)
покрытый сплавом олово-свинец (–0,14 В).
Так, при наличии влаги и небольшого количества ионных компонентов возникает
напряжение короткого замыкания и начинает протекать ток (рис. 6б).
Избежать электролитической коррозии
можно только удалением всех следов влаги
и ионных загрязнений с печатных узлов,
обеспечив при этом защиту от повторных
загрязнений.
Класс аппаратуры
б)
Рис. 6
а) Электролитическая коррозия между смежными
проводниками при наличии электрического поля
и водной пленки
б) Электролитическая коррозия разнородных
материалов проводников с разными потенциалами
страненный механизм коррозии — электролитический. Электролитическая коррозия
может возникать в двух случаях:
1. При наличии электрического поля и водной пленки между двумя смежными проводниками (рис. 6а).
2. На одиночных многослойных проводниках, например, при контакте двух разнородных металлов с разными потенциалами,
например, медный проводник (+0,34 В),
176
Влияет ли класс производимой аппаратуры на необходимость отмывки? Давайте попробуем ответить на этот вопрос. По надежности изделия электронной техники делятся
на три основных класса:
Класс 1 — бытовая электроника
Отмывка не требуется, так как изделия эксплуатируются в нормальных климатических
условиях.
Класс 2 — промышленная электроника
Необходимость отмывки зависит от условий эксплуатации изделий. При эксплуатации изделий, не подвергающихся влагозащите, в нормальных климатических условиях отмывка в большинстве случаев не требуется, однако в случае эксплуатации изделий
в жестких климатических условиях, а также
для высокочастотной электроники применение отмывки является оправданным. Кроме
того, требования отмывки остатков флюсов
существенно зависят от типа (класса) используемого флюса.
Класс 3 — спецтехника (военная, аэрокосмическая, системы жизнеобеспечения)
Отмывка является обязательной.
Мыть или не мыть?
Мы рассмотрели лишь несколько основных причин, по которым необходимо удалять остатки флюса после пайки. Подводя
итоги, можно утверждать, что для обеспечения максимальной надежности производимой электроники остатки флюса необходимо удалять. С другой стороны, абсолютно
очевидно, что процесс отмывки будет увеличивать себестоимость изделий. Следовательно, применение отмывки должно быть
экономически оправданным. Поэтому, принимая решение о необходимости отмывки,
следует взвесить все доводы «за» и «против»: условия эксплуатации аппаратуры,
требования по надежности и долговечности,
затраты на обслуживание и ремонт производимой электроники, наличие необходимого оборудования для отмывки и контроля качества отмывки. Помните, если вы
не можете организовать качественную отмывку, то ее лучше не проводить вообще,
особенно при использовании «безотмывочных» флюсов.
Продолжение следует
www.finestreet.ru