Физико-химические свойства флюсов

Флюсы

Пайка

Пайка – процесс получения неразъёмных соединений материалов с нагревом ниже температуры плавления каждого из них за счёт смачивания и растекания припоя с заполнением зазоров между материалами при кристаллизации.

Способы пайки в микроэлектронике:

1 нагретым инструментом и теплообменом:

1.1 непрерывный нагрев электрическим паяльником;

1.2 импульсный нагрев с дозировкой припоя;

1.3 горячим воздухом;

2 сопротивлением:

2.1 контактная с двусторонним подведением j-образного контакта (картинка);

2.2 сдвоенным электродом;

3 погружением:

3.1 с одновременным погружением;

3.2 волной припоя;

3.3 селективное (избирательное);

4 радиационная:

4.1 оптическая (как это?);

4.2 лазерным лучом.

Преимущества пайки:

1 невысокий нагрев без расплава металла, что обеспечивает сохранение его химического состава, структуры и механических свойств;

2 характерный внешний вид соединений;

3 нет нужды в дальнейшей обработке;

4 сохраняется размер и форма изделия;

5 полученные соединения достаточно равнопрочны основному металлу, без заметных внутренних напряжений.

Пайка может быть низкотемпературной или высокотемпературной (при температуре выше 400 °С) и включает в себя следующие стадии:

1 прогрев места пайки до температуры плавления припоя;

2 расплавление самого припоя;

3 растекание жидкости припоя по поверхности твёрдого металла и заполнение паяемого шва;

4 взаимная диффузия и охлаждение припоя.

Практически все стадии пайки перекрываются, и окончание одной стадии не отличить от начала следующей.

Рассмотрим более детально основные стадии пайки.

Расплавленный припой растекается по всей поверхности, что возможно только при хорошей смачиваемости твёрдого металла в выбранном процессе пайки.

При смачивании поверхность контакта твёрдого тела (3) с атмосферой (1) замещается поверхностью контакта жидкости (2). В этом случае с единичной поверхности твёрдого тела освобождается поверхностная энергия, величина которой определяется разностью в силах поверхностного натяжения на границе раздела твёрдого тела с атмосферой () и твёрдого тела с жидкостью (). Поверхностная энергия пропорциональная разности , чем больше эта разность, тем лучше смачивание. На характеристики смачивания влияют: состояние металлической поверхности (предварительная обработка, плёнки окислов, жировые загрязнения); наличие химических связей; флюс и состояние окружающей среды.

Практическим критерием смачиваемости является угол смачиваемости : .

Растекание – свойство жидкого металла или сплава распространяться по поверхности металла или сплава находящегося в твёрдом состоянии. Растекание необходимо для качественного паяного соединения.

– происходит растекание; – растекание прекращается; – жидкость собирается в каплю.

На процесс растекания влияет:

1 смачиваемость;

2 напряжённое состояние поверхностей и их шероховатость;

3 жидкотекучесть припоя;

4 скорость процессов физико-химического взаимодействия между основным металлом и припоем;

5 поверхностное натяжение жидкого припоя;

6 состояние окружающей среды.

Чем меньше величина поверхностного натяжения расплавленного припоя, тем лучше он растекается по поверхности основного металла. Жидкотекучесть припоя характеризует способность жидкого припоя заполнять форму и протекать по наклонным и вертикальным каналам. Она зависит от степени перегрева относительно температуры расплавления припоя. Лучше тот припой, который более текуч к моменту начала кристаллизации. Необходимо также иметь ввиду, что в силу химических взаимодействий припоя с основным металлом в момент кристаллизации его жидкотекучесть отличается от жидкотекучести исходного припоя.

Для качественного соединения необходимо, чтобы не нарушалась геометрия затвердевания припоя и энергетическое взаимодействие между атомами припоя и основного металла, которое возникает при смачивании.

При взаимодействии основного металла с припоем могут протекать следующие процессы:

1 растворение основного металла в расплаве припоя с образованием жидкого раствора;

2 диффузия компонентов припоя в основной металл с образованием твёрдых растворов;

3 химическая реакция припоя с основным металлом с образованием интерметаллических соединений на границе взаимодействия;

4 возникновение металлических связей при сближении атомов металла расплава с атомами кристаллической решётки твёрдого раствора.

На качество пайки существенно влияет состояние поверхности металла. Место пайки тщательно очищают от загрязнений, жиров, продуктов коррозии и других дефектов.

Способы очистки деталей перед пайкой:

1 обезжиривание для удаления масла и других жировых загрязнений;

2 травление в растворах солей и щелочей для удаления животных и растительных жиров;

3 полировка;

4 промывка в органических растворителях или в воде от минеральных масел;

5 отжиг в восстановительной атмосфере или вакууме.

Выбор способа очистки зависит от характера загрязнения, свойств металла и конфигурации детали. Например, весьма эффективно обезжиривание в ультразвуковых ваннах, в том числе от нерастворимых загрязнений в узких щелях и каналах деталей. Такое обезжиривание – самое высококачественное и производительное (ультразвуковая очистка полупроводниковых кристаллов).

Для удаления окислов до пайки и в её процессе применяют:

1 флюсы;

2 газовые среды;

3 физико-механические способы (механическая и ультразвуковая очистка);

4 применение самофлюсующихся припоев, содержащих бор, фосфор, щелочные металлы (примеры). Они удаляют окислы и препятствуют окислению в процессе пайки, но иногда их применение невозможно, если пайка проводится в газовой среде или вакууме.

В качестве нейтральных сред выступают: азот (N₂), аргон, криптон, неон (Ne₂); восстановительная среда – водород. Формируется газ (H₂+N₂).

На скорость развития окислов влияет скорость удаления кислорода из среды.

Флюсы – это неметаллические вещества, использующиеся для удаления оксидной плёнки с поверхности металла и припоя. Они используются для предотвращения образования такой плёнки в самом процессе пайки и уменьшения поверхностного натяжения припоя. Различаются низкотемпературные (меньше ) и высокотемпературные флюсы.

По химическому составу флюсы делятся на:

1 смолосодержащие/не смолосодержащие для пайки низкотемпературными припоями;

2 на основе буры (соль борной кислоты) или борной кислоты, а также на основе солей фтора и хлора для пайки высокотемпературными припоями.

В производстве полупроводниковых приборов и микросхем чаще применяют антикоррозионные бескислотные флюсы, примером такого флюса является канифоль. Основной компонент канифоли абиетиновая кислота (С₁₉Н₂₉СООН) (как это понять). Канифоль используют при температуре 71 °С, при температурах выше 107 °С она вступает в реакцию с оксидом меди с образованием абиетита меди (С₁₉Н₂₉СОО)₂Cu, а при температурах ниже 34 °С – поляризуется. Канифоль применяется в твёрдом состоянии или в виде раствора в спирте (скипидар). Остатки канифольного флюса не поглощают влагу и не вызывают коррозии, но её всё равно необходимо удалять с поверхности после процесса пайки. Она относится к слабоактивным флюсам, следовательно, перед её применением необходимо обезжиривать поверхность. В качестве активаторов вводятся добавки: солянокислый анилин (C₆H₅NH₂·HCl), салициловая кислота (C₇H₆O₃) и другие. Наносят эти вещества в виде порошков, жидкости, пасты.

Химический состав флюса	ФКСп	ФПЭт	ФКТС	ЛТИ-120	ФХ-4
канифоль	10…60	–	15…30	20…25	–
этиловый спирт	40…90	–	65…81	70…77	88…94
полиэфирная смола	–	15…50	–	–	–
этилацетат	–	50…85	–	–	–
салициловая кислота	–	–	3…3,5	–	–
триэтиламин	–	–	1…1,5	–	1…2
диэтиламин солянокислый	–	–	–	3…5	–
хлористый цинк	–	–	–	–	5…10
температура оптимальной активности, °С	220…240	190…300	230…300	190…320
виды промывки после пайки	–	–	с помощью спирто-бензиновой смеси	в воде

Дата добавления: 2014-01-05