ФЛЮС ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ Российский патент 2005 года по МПК B23K35/363 

Изобретение относится к пайке, в частности к флюсам для низкотемпературной пайки.

При сборке узлов и блоков на печатных платах (ППЛ) и гибридных интегральных схем (ГИС) в производстве электронной и радиоэлектронной аппаратуры широко применяется низкотемпературная (НТ) пайка с использованием канифольных флюсов, отличающихся практически нулевым коррозионным действием и низкой флюсующей активностью.

Известен флюс на основе модифицированной канифоли: гидрогенизированной, полимеризованной, непропорциональной [1].

Данный флюс используется при пайке ППЛ и ГИС, имеющих золотые, серебряные, медные или оловосодержащие покрытия, и обеспечивает снижение времени пайки за счет повышения его активности по сравнению с обычными канифольными флюсами и одновременное повышение качества паяных соединений.

Однако данный флюс не обеспечивает пайки таких материалов, как никель, цинк, кадмий или выполненных из латуни или низкоуглеродистой стали.

Помимо этого флюс проявляет свою активность в диапазоне температур 200-300°С, что затрудняет осуществление пайки на более низких температурах.

Кроме того, для удаления остатков флюса после пайки необходимо применять органические растворители или специальные водно-щелочные растворы.

Известен флюс для НТ пайки, содержащий модифицированную канифоль в виде низкомолекулярных терпиновых соединений, получаемых путем переработки канифоли в крекинг-процессе при 230°С [2].

Данный флюс не вызывает коррозии паяемого металла, способствует хорошей растекаемости припоя по золотому, серебряному, медному или оловосодержащему покрытиям.

При использовании флюса не возникает токсичных газов. Терпиновые соединения испаряются при температуре 100-230°С, а неиспользованные остатки обладают электроизоляционными свойствами, что позволяет в ряде случаев оставлять эти остатки неотмытыми.

Однако такой флюс, как и вышеприведенный, не обеспечивает пайку никеля, цинка, кадмия, латуни и низкоуглеродной стали, а также пайку при температурах ниже 200°С.

Кроме того, удаление остатков флюса необходимо осуществлять органическими растворителями или водно-щелочными растворами.

Известен двухкомпонентный флюс для НТ пайки легкоплавкими припоями, содержащий следующие компоненты в количестве, вес.%:

Модифицированная канифоль диспропорционированная40-50Растворитель -Остальное [3]

прототип.

Данный флюс применяется при пайке и лужении деталей, имеющих золотые, серебряные, медные или оловосодержащие покрытия.

Флюс из-за наличия в своем составе дегидроабиетиновой кислоты (более 80% общего количества модифицированной канифоли) отличается высокой стойкостью к окислению на воздухе при нагреве вплоть до 250-260°С и, как следствие этого, остатки флюса после пайки не осмоляются и не темнеют, что значительно ускоряет последующую очистку.

Однако, как и в предыдущих аналогах, флюс не обеспечивает пайку и лужение никеля, цинка, кадмия, латуни и низкоуглеродистой стали, а также НТ пайку при температурах ниже 200°С.

Кроме того, очистку остатков флюса после пайки также необходимо проводить с применением органических растворителей или специальных водно-щелочных растворов.

Техническим результатом изобретения является повышение активности флюса при расширении функциональной возможности и снижении температуры пайки ниже 200°С, повышение качества пайки за счет упрощения и повышения качества очистки остатков флюса после пайки при сохранении низкого коррозионного действия на паяемую поверхность, а также возможность изготовления паяльной пасты на основе предлагаемого флюса и порошка НТ припоя.

Технический результат достигается тем, что в известном флюсе для низкотемпературной пайки, включающем производную канифоли и растворитель, в качестве производной канифоли используют резинат щелочного металла, а в качестве растворителя используют водорастворимый спирт или смесь водорастворимых спиртов при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Резинат щелочного металла15-60Водорастворимый спирт или смесь водорастворимых спиртов40-85

Производную канифоли, получаемую взаимодействием минерального основания - гидроксида щелочного металла с канифолью, называют резинатом или канифольным мылом (далее резинат).

Использование в качестве производной канифоли резината щелочного металла, который благодаря способности к обменным реакциям с окислами, гидроокислами и различными солями, покрывающими паяемую поверхность, переводит их в соединения, растворимые во флюсе, и тем самым очищает паяемую поверхность от них в процессе пайки, а следовательно, позволит повысить активность флюса и тем самым

- во-первых, обеспечить с данным флюсом НТ пайку таких металлов, как никель, цинк, кадмий, латунь и низкоуглеродная сталь, предъявляющих повышенные требования к чистоте паяемой поверхности;

- во-вторых, снизить температуру пайки металлов ниже 200°С, например никеля до 150°С.

- в-третьих, поскольку резинаты являются водорастворимыми солями, упростить удаление остатков флюсов после пайки путем промывки в воде.

Использование в качестве растворителя водорастворимых спиртов или их смеси позволит менять вязкость растворителя, а добавляя воду, по необходимости модифицировать флюс, переводя его из твердого в порошкообразное или жидкое состояние, что позволит изготавливать паяльные пасты на основе предлагаемого флюса.

При содержании в составе флюса резината менее 15 вес.% снижается активность флюса и практически теряется его способность к лужению и пайке таких металлов, как никель, кадмий, латунь, низкоуглеродистая сталь, что обусловлено неспособностью такого количества резината растворять окисные пленки и тем самым удалять их с паяемой поверхности металлов и тем самым обеспечивать их смачивание припоем, а более 60 вес.% флюсующие свойства очень высокие, однако, во-первых, резко возрастает вязкость раствора флюса, что затрудняет пайку, а во-вторых, при нагреве приводит к быстрому его превращению в пленку за счет полимеризации, что исключает его дальнейшее использование при пайке.

Кроме того, смолоподобные остатки флюса указанного состава требуют длительной отмывки в горячей воде, особенно в труднодоступных местах.

Пример 1.

Флюс для НТ пайки изготавливают следующим образом.

В емкость, содержащую трехатомный спирт глицерин марки "Ч" (ГОСТ 3259-75) или "ЧДА" (ГОСТ 6259-75) вводят шестиатомный спирт сорбит (ТУ 64-5-17-86) или сорбит марки "Ч" (С 6 Н 1406) и резинат калия.

Количество глицерина, сорбита и резината калия составляет, вес.%: 42, 21 и 37 соответственно.

Далее смесь нагревают до температуры 200-210°С и выдерживают при этой температуре, помешивая в течение 5-10 мин. В процессе нагрева и выдержки твердые сорбит и резинат растворяются в глицерине, образуя гомогенную жидкость темно-коричневого цвета. После охлаждения раствора флюса он готов к применению.

Примеры 2-5.

Флюс для НТ изготавливают аналогично примеру 1, но при других соотношениях компонентов, как указанных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и выходящих за ее пределы (примеры 4-5).

Приготовленные составы флюса для НТ были использованы для лужения и пайки металлических образцов размером 20·15·2 мм с внешней поверхностью:

- из никеля путем изготовления его из алюминиевого сплава Амц, покрытого химическим никелем толщиной 18 мкм,

- из цинка марки ЦО (ГОСТ 3640-75),

- из кадмия путем изготовления его из стали марки "сталь 3", покрытой гальваническим кадмием толщиной 6 мкм,

- из латуни марки Л63 (ГОСТ 16130-7),

- из стали марки "сталь 3".

Лужение образцов проводили на электрической плитке припоем ПОС-61:

а) паяльником при температуре 210+-5°С с контролем температуры нагрева как жала паяльника, так и плитки;

б) навеской припоя в виде шарика диаметром 1-4 мм при температуре 230+-5°С.

Флюс для низкотемпературной пайки состава (пример 1) был также использован для определения нижней температурной границы пайки вышеприведенных металлических образцов.

В качестве контрольного образца взят металлический образец из меди, которая как правило легко паяется.

При этом применяли припой ПОСК-50-18 с интервалом температуры пайки 150-170°С.

Данные сведены в таблицу 1.

Как видно из таблицы 1, использование флюса предложенного состава и указанных соотношений компонентов (примеры 1-3) обеспечивает качественную пайку и лужение таких металлов, как никель, цинк, кадмий, латунь и низкоуглеродистая сталь, при этом наблюдается и общее снижение температуры пайки, например для никеля и цинка до 150-160°С, как и у меди.

В случаях использования флюса предложенного состава, но с соотношениями компонентов, выходящими за пределы, указанные в формуле изобретения, либо имеет место пайка в отдельных точках паяемой поверхности, не связанных между собой (пример 4), либо пайка затруднена вообще из-за осмоления флюса и образования прочной эластичной пленки поверх припоя, неравномерный, бугристый слой полуды (пример 5).

Результаты качества пайки вышеуказанных металлов навеской припоя в виде шарика в целом аналогичны качеству пайки паяльником, а для никеля и низкоуглеродной стали качество пайки выше.

Флюс для НТ состава (пример 1) был также использован для лужения и пайки нахлесточных образцов размером 60·10·1 мм, изготовленных из алюминиевого сплава Амц и покрытых химическим никелем толщиной 18 мкм.

Величина нахлестки составляла 3-4 мм.

В качестве припоя использовали слои полуды припоя ПОС-61, полученных при лужении образцов.

Пайку проводили при температуре 210+-5°С и выдержке после расплавления припоя 30 с.

Толщина остаточного слоя припоя после охлаждения составляла 100+-5 мкм.

Кроме этого, была изготовлена паяльная паста состава, вес.%:

Порошок припоя ПОС-61 с размером частиц 40-60 мкм80Флюс состава (пример 1)20

Паяльную пасту использовали для пайки

а) коаксиальномикрополосковых переходов типа СРГ-50-751 ФВ (ВРО.364.049 ТУ) в корпуса модулей радиоэлектронной аппаратуры, изготовленных из алюминиевого сплава Д16 и покрытых химическим никелем толщиной 18 мкм.

Пайку проводили при температуре 210-230°С.

б) чип - конденсаторов К 10-17 (ОЖО.450.107 ТУ) на печатные платы, покрытые защитной паяльной маской "Динамакс КМ" и имеющие медные дорожки, луженные припоем ПОС-61.

Пайку проводили при температуре 210+-5°С.

Отмывку паяемой поверхности от остатков предлагаемого флюса во всех случаях пайки проводили в проточной горячей воде (ГОСТ 2874-82), имеющей температуру 50-80°С, с последующим ополаскиванием в деионизованной воде (ГОСТ 11029.003-80), сушкой сжатым воздухом и досушкой, в случае необходимости в термокамере при температуре 50-70°С качество отмывки от остатков флюса контролировали по основному показателю индикатором "Рифан" (ТУ 6-09-3410-83).

Кроме того, результаты последней пайки были исследованы также с точки зрения стойкости защитной паяльной маски "Динамакс КМ" к воздействию предлагаемого флюса.

Данные сведены в таблицу 2.

Как видно из таблицы, паяные соединения имеют по всему периметру паяного шва непрерывные, равномерные плотные галтели.

Прочность соединений на срез составляет около 40 МПа, величина крутящего момента составляет 9,8 Н.м и более, что соответствует требованиям технических условий на электронную и радиоэлектронную аппаратуру.

Таким образом, предлагаемый флюс для низкотемпературной пайки позволит:

- во-первых, повысить активность флюса и тем самым обеспечит лужение и НТ пайку таких металлов, как никель, железо, цинк, кадмий, латунь и низкоуглеродистой стали, при этом значительно снизить температуру пайки, например, для никеля до 150°С,

- во-вторых, повысить качество пайки за счет повышения качества отмывки, ее упрощения - просто в воде, что исключает необходимость применения органических растворителей или специальных водно-щелочных растворов, а следовательно, и токсичность.

Кроме того, достоинством флюса является возможность хранения его на воздухе в открытом сосуде неограниченное время, поскольку испарение влаги и водопоглощение находятся в равновесии благодаря наличию в составе флюса глицерина, который обеспечивает гигроскопичность, и сорбита с резинатом.

Предлагаемый флюс для НТ пайки дешев, прост в изготовлении и не токсичен.

Источники информации

1. Заявка №59-159298, Япония, заявл. 01.03.83 г., опубл. 08.09.84 г., В 23 К 35/362.

2. Патент №48-34490, Япония, заявл. 07.12.70 г., опубл. 22.10.73 г., В 23 К 35/36.

3. Авторское свидетельство СССР №505548, приоритет 02.12.74 г., опубл. №9, 1976 г., В 23 К 35/36.

Таблица 1№ п/пСостав пасты, мас.%Результаты анализаРезинатРастворительКачество пайкиТемпература начала пайки, °ССорбит*ГлицеринНикельЦинкКадмийСтальЛатуньНикельЦинкКадмийСтальЛатуньМедь1372142По всей площадиПо всей площадиПо всей площадиПо всей площадиПо всей площади≥150≥160≥170≥190≥170≥1502152857По всей площадиПо всей площадиПо всей площадиПо всей площадиПо всей площади      3602119По всей площадиПо всей площадиПо всей площадиПо всей площадиПо всей площади      483161В отдельных точкахВ отдельных точкахВ отдельных точкахВ отдельных точкахВ отдельных точках      575250-10Неравномерный, бугристый слой полудыНеравномерный, бугристый слой полудыНеравномерный, бугристый слой полудыНеравномерный, бугристый слой полудыНеравномерный, бугристый слой полуды      *Количество воды входит в состав флюса в пределах содержания сорбита.*

Таблица 2Состав флюсаРезультаты пайкиТип паяного узлаПрочность соединенийВнешний видДанные примера 1Нахлесточные образцыτ_среза≈40 МПа (4 кгс/мм²)Непрерывная плотная галтель по всему периметру паяного соединенияКонденсатор К 10-17 на печатные платыτ_среза≈40 Мпа (4 кгс/мм²)Непрерывная плотная галтель по всему периметру паяного соединения, поверхность маски без повреждений и изменения цвета (зеленый)Переходы СРГ-50-751 ФВ в корпусКрутящий момент ≈9,8 Н·м (102 кгс·мм)Непрерывное кольцо плотной, вогнутой галтели вдоль границы корпус - переход

Флюс может быть использован в производстве электронной и радиоэлектронной аппаратуры при сборке узлов и блоков на печатных платах и гибридных интегральных схем. Флюс содержит производную канифоли в виде резината щелочного металла и водорастворимый спирт или смесь водорастворимых спиртов при следующем соотношении компонентов, мас.%: резинат щелочного металла 15-60, водорастворимый спирт или смесь водорастворимых спиртов 40-85. Для изменения вязкости флюс может дополнительно содержать воду в количестве, входящем в пределы содержания водорастворимого спирта. Флюс дешев, прост в изготовлении и не токсичен, обеспечивает высокое качество пайки, легкое его удаление. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Флюс для низкотемпературной пайки, содержащий производную канифоли и растворитель, отличающийся тем, что в качестве производной канифоли использован резинат щелочного металла, а в качестве растворителя использован водорастворимый спирт или смесь водорастворимых спиртов, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Резинат щелочного металла15-60Водорастворимый спирт или смесь водорастворимых спиртов40-85