ФЛЮС ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ Российский патент 2010 года по МПК B23K35/363 

Изобретение относится к пайке, в частности к флюсам для пайки и лужения низкотемпературными припоями, не содержащими свинца.

При производстве РЭА и сборке узлов, блоков монтаж элементов на печатные платы производится низкотемпературной пайкой с использованием канифольных флюсов. Применение канифольных флюсов обеспечивает высокую коррозионную стойкость паяных соединений, но из-за слабой флюсующей активности не позволяет получать качественный паяный шов и паять материалы: никель, латунь, медь. Для повышения флюсующей активности в состав канифольного флюса вводят активаторы - триэтаноламин, органические и неорганические вещества [1, 2], что обеспечивает качественную пайку элементов на печатные платы. Однако печатные платы, паянные этими флюсами, требуют хорошей очистки в спирто-бензиновой смеси или в специальной промывочной жидкости. Спирто-бензиновая смесь обладает крайне низкой эффективностью, так как плохо удаляет остатки флюса с низким содержанием твердых веществ и не удаляет ионные водорастворимые компоненты (соли и кислоты), что впоследствии приводит к возникновению коррозионных процессов. Данные флюсы, как правило, применяются при пайке и лужении припоями на основе олова и свинца деталей, имеющих оловосодержащее серебряное, золотое покрытие, но не обеспечивают качественную пайку таких материалов, как никель, медь, латунь.

Наиболее близким по технической сущности является флюс (RU 2347656 29.11.2006) на основе глицерина, триэтаноламина, карбамида, аммония лимоннокислого и спирта, при следующем соотношении компонентов, мас.%

Глицерин технический 30,5-32,1 Триэтаноламин 20,2-22,2 Карбамид 12,2-13,3 Аммоний лимоннокислый 11,5-12,2 Спирт Остальное

Данный состав флюса обладает хорошей флюсующей активностью и позволяет паять никель, медь, латунь и материалы, покрытые серебром, олово-висмутом, химическим никелем + золото, иммерсионным оловом. Однако в процессе пайки бессвинцовыми припоями (Т пайки 250-260°C) в зоне паяного соединения образуется полимеризационная пленка, которая частично ухудшает смачивание и растекание припоя. Кроме того, из-за высоких температур после пайки образуется смолоподобные остатки, которые требуют, при отмывке, предварительной длительной замочки в теплой воде и ультразвуковой очистки с применением специальных отмывочных жидкостей. Неотмытые остатки, находящиеся под элементами и ножками микросхем, в процессе эксплуатации РЭА вызывают утечки, что может привести к сбоям и отказам в процессе эксплуатации. В процессе пайки происходит разложение флюса с выделением аммиака, вредного для здоровья и окружающей среды.

Целью заявленного технического решения является создание некоррозионного флюса с высоким уровнем температурной стабильности флюсующих свойств и легкоудаляемого с поверхности печатных плат.

Заявляемый состав флюса содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%

Глицерин технический 30,0-32,0 Триэтаноламин 2,5-3,0 Карбамид 6,0-9,0 Канифоль 8,0-9,35 Гидроокись натрия 1,1-1,15 Спирт Остальное

Выбранные количественные соотношения глицерина (30-32), триэтаноламина (2,5-3) в заявляемом флюсе вначале обеспечивают хорошую растворимость входящих компонентов, а к концу пайки флюс не затвердевает, а остается в жидком полупрозрачном состоянии, что позволяет при электрическом контроле легко прокалывать электрическими щупами место пайки и делать замеры, кроме того, данные соотношения препятствуют образованию смолистых веществ и улучшают отмывку остатков флюса. Выбранное количество триэтаноламина препятствует коррозионным процессам.

Количественное соотношение канифоли (8), карбамида (6), гидроокиси натрия (1,1) в сочетании с глицерином, триэтаноламином и спиртом позволяет получить новое свойство флюса - улучшение смачивания и растекания припоями, не содержащими свинца, так как при нагревании активные составляющие полностью реагируют с окисной пленкой без образования полимеризационной пленки и закоксовавшихся остатков компонентов. Кроме этого выбранные количественные соотношения обеспечивают требуемую вязкость, растворимость компонентов, позволяя использовать его при автоматизированной и ручной пайке.

Остатки флюса некоррозионны по отношению к паяным материалам, так как при нагревании интенсивно взаимодействуют между собой без образования смолообразных веществ, что способствует дальнейшему их растворению в моющих растворах.

При содержании глицерина менее 30% и триэтаноламина менее 2,5% и увеличении канифоли более 9,35%, карбамида более 9% резко возрастает вязкость раствора флюса, ухудшается растворимость компонентов, что затрудняет пайку и приходится добавлять избыток спирта, а также при нагреве к моменту пайки происходит образование плотной полимеризационной пленки, смолообразных веществ, что затрудняет смачивание и формирование качественного паяного шва.

При содержании глицерина более 32%, триэтаноламина более 3,0%, канифоли менее 8%, гидроокиси натрия менее 1,1%, карбамида менее 6% снижается флюсующая активность и ухудшается качество пайки.

Совокупность всех перечисленных компонентов в процентном отношении по массе позволяет создавать новый флюс, обладающий новыми свойствами и полезностью по сравнению с известными. Высокая флюсующая активность при пайке припоями, не содержащими свинца (Т пайки 250-260°C), позволяет паять широкую номенклатуру материалов: медь, никель, латунь и материалы, покрытые иммерсионным оловом, серебром, химическим никелем + золото, с очисткой в проточной теплой воде (Т 50-60°C) с последующей очисткой в дистиллированной воде с ультразвуком.

Флюс готовят следующим образом. На водяной бане глицерин нагревают до Т 80-90°C, растворяют карбамид, добавляют триэтаноламин, затем в спирте растворяют канифоль, гидроокись натрия и обе смеси смешивают.

Для экспериментальной проверки заявленного флюса были изготовлены различные составы с предельными и запредельными значениями (таблица). На плоских образцах из меди, никеля, латуни и меди, покрытой иммерсионным оловом, химическим никелем+золото, определяли флюсующую активность, измеряя коэффициент растекания

Ks=S₁/S₀,

где So и S₁ площади навески припоя до и после расплавления.

В качестве припоя использовали SnAgCu (с интервалом плавления 217-220°C) температура нагрева при исследовании составляла 250±10°C, время выдержки 5 сек. Коррозионную стойкость паяных соединений оценивали массовым показателем коррозии. Образцы помещали в камеру влажности (95% влаги, температура 40°C) и выдерживали 48 часов, затем под микроскопом 16^х (согласно ГОСТ 9076-77) по изменению цвета припоя и покрытия определяли наличие или отсутствие коррозии. Качество и надежность паяных соединений исследовали на образцах, изготовленных внахлест. Качество очистки образцов от остатков флюса определяли по электропроводности дистиллированной воды до и после очистки.

Из таблицы видно, что флюсующая активность предлагаемого флюса несколько выше, чем известного. Механическая прочность и коррозионная стойкость гораздо выше, а самое главное, сохраняются высокие флюсующие свойства при высокой температуре без образования твердых остатков.

Показатели Заявляемый флюс, мас.% Известный флюс, мас.%   Компоненты Не менее Не более     Глицерин технический 30,0 32,0 30,5 Триэтаноламин 2,5 3,0 20,2 Карбамид 6,0 9,0 12,0 Канифоль 8,0 9,35 - Гидроокись натрия 1,1 1,15 - Аммоний лимоннокислый - - 11,5 Спирт остальное остальное остальное Коэффициент растекания по:         меди   4,83 5,18 3,95 никелю   4,62 5,04 4,3 хим. никель + золото   5,85 5,7 5,2 иммерснонн. олово   8,03 7,95 7,8 серебру   6,86 6,85 6,4 Качество и надежность         паяных соединений:         Усилие на срез, кг/мм²   5,0-5,1   4,1 После пайки через 3 месяца   4,9-4,95   3,9 Качество очистки:         Электропроводность, См/см         Дистиллированной воды         До очистки   3,2×10^-6   3,2×10^-6 После очистки   3,42×10^-6   3,5×10^-6 Наличие коррозии после влагокамеры, увеличение 16^х   Коррозионное воздействие отсутствует   Наблюдаются коррозионные точки в галтели припоя

Таким образом, предлагаемый флюс для пайки бессвинцовыми припоями позволяет:

- сохранять высокую флюсующую активность в широком диапазоне температур;

- паять элементы с выводами из никеля, меди, латуни и покрытыми иммерсионным оловом, химическим никелем + золото, серебром;

- обеспечить необходимую растворимость компонентов;

- иметь в конце пайки не твердые остатки флюса, а жидкое полупрозрачное состояние, которое позволяет при электрическом контроле легко прокалывать электрическими щупами места пайки;

- легко удалять остатки флюса с плат с высокой плотностью монтажа дистиллированной водой с ультразвуком;

- сохранять высокую коррозионную стойкость паяных соединений.

Источники информации

1. ОСТ.4ГО 033 200. Припой и флюсы для пайки, марки, свойства и область применения.

2. Хряпин В.Е. Справочник паяльщика. М. Машиностроение. 1981, с.112.

3. RU 2347656 опубл. 27.02.2009. Бюл. №6, B23K 35/363.

Изобретение может быть использовано в производстве электронной и радиоэлектронной аппаратуры при сборке узлов и блоков на печатных платах, гибридных и интегральных схем. Флюс содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.%: глицерин технический 30,0-32,0; триэтаноламин 2,5-3,0; канифоль 8,0-9,35; карбамид 6,0-9,0; гидроокись натрия 1,1-1,5; спирт - остальное. Выбранное количественное соотношение компонентов позволяет активизировать процесс удаления окисных пленок и обеспечить высокое качество паяных соединений, повысить их коррозионную стойкость и надежность, при этом остатки флюса легко удаляются дистиллированной водой даже при высокой плотности навесного монтажа. 1 табл.

Флюс для низкотемпературной пайки, содержащий глицерин, триэтаноламин, карбамид, этиловый спирт, отличающийся тем, что для повышения коррозионной стойкости паяного соединения и сохранения высокого уровня температурной стабильности флюсующих свойств он дополнительно содержит канифоль, гидроокись натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Глицерин технический 30,0-32,0 Триэтаноламин 2,5-3,0 Канифоль 8,0-9,35 Карбамид 6,0-9,0 Гидроокись натрия 1,1-1,15 Спирт Остальное