У статті представлені причини та методи мінімізації несприятливих явищ окалини та утворення кульок припою, такі як відповідний вибір складу припою або використання інноваційних систем насадок.
Вступ
Оксид олова, який зазвичай називають окалиною, утворюється, коли припій нагрівається до температури плавлення під час дії кисню, як це відбувається під час паяння хвилею або селективної пайки. Було виявлено, що оксид олова, що осідає на наконечниках сопел, спотворює форму хвилі селективної пайки, що порушує рівномірний потік припою та негативно впливає на контакт припою з друкованою платою. Оскільки для утворення оксиду олова необхідний кисень, то щоб мінімізувати його утворення практично всі системи селективної пайки оснащені засобами, які дозволяють азоту безперервно обтікати сопло.
Оскільки накопичення шлаку перешкоджає потоку розплавленого припою, слід дотримуватися кількох практик, щоб зменшити це накопичення, включаючи періодичне очищення тигля для припою, видалення шлаку та мінімізацію часу роботи насоса та висоти хвилі. Ці методи зменшують кількість шлаку, а також зводять до мінімуму накопичення інших забруднювачів сплаву.
Утворення окалини
Оксид олова має кристалічну, дещо схожу на коробку молекулярну структуру, яка має тенденцію з’єднуватися разом і утворювати шари. Зазвичай на соплах для селективної пайки утворюється шар оксиду олова, який росте від нижньої частини сопла до кінчика.
Малюнок 1. Ілюстрація молекул олова (Sn) і кисню (O), які поєднуються з утворенням оксидів олова (SnO і SnO2)
Олово, що міститься в кожному сплаві – SnPb, SAC305 або SN100C – з’єднується з киснем і утворює окалину. Важливим аспектом є можливість дозволити будь-якій кількості оксиду олова вільно витікати з вихідного отвору сопла, оскільки створення будь-яких «точок захоплення» дозволяє утворити структуру оксиду олова, яка рухається до кінчика, де вона обмежує потік розплавленого припою.
Вплив складу припою
Зазвичай безсвинцеві припої, які найчастіше використовуються, зокрема олово-срібло-мідь (SAC305) і олово-нікель-мідь (SN100C), мають набагато вищий вміст олова, ніж олово-свинцевий сплав, і утворюють більшу кількість оксиду олова. Було встановлено, що безсвинцевий сплав SN100C має кращі характеристики текучості, ніж твердий припой SAC305, що пов’язано з тим, що SAC305 має вищий поверхневий натяг (цей сплав спочатку був розроблений для поверхневої пайки). Через вищий поверхневий натяг SAC305, як правило, не є рекомендованим припоєм для селективної пайки. Крім того, сплав SN100C містить невелику кількість германію, який підвищує температуру плавлення та забезпечує правильну текучість припою. Крім того, здається, що через менший поверхневий натяг германій також відповідає за зменшення дефекту утворення мостиків.
Потік кисню і азоту навколо сопла
Дослідження показують, що як тільки з’являються молекули кисню, в розплавленому олові негайно утворюються оксиди. Шар окалини, який утворюється на верхній поверхні розплавленого припою, захищає рідкий припій, що залишився, від подальшого утворення оксиду олова, якщо верхній шар оксиду не розірветься, а наступні молекули кисню досягнуть олова, викликаючи подальше окислення. Крім того, дослідження показують, що це безперервний процес і присутність будь-якої кількості кисню в контакті з розплавленим припоєм при підвищених температурах продовжуватиме створювати шари оксиду олова знову і знову.
Проте тести на вміст кисню, проведені компанією Nordson SELECT, підтвердили наявність незначного рівня кисню навколо сопла в залежності від товщини шару азоту, що оточує сопло. Рівень кисню в безпосередній близькості від наконечника сопла припою, здається, не є основною проблемою для зменшення шлаку, проте, за умови, що він знаходиться в межах певного бажаного діапазону. Вимірювання аналізатором кисню по осі X і Y у безпосередній близькості від вихідного отвору сопла показали повторювані показники від 90 до 200 ppm (тобто частин на мільйон), що значно нижче 500 ppm, що вважається прийнятним рівнем для селективної пайки. Відносно високий допустимий рівень кисню пояснюється тим, що технологічне середовище є відкритим, на відміну від закритої атмосфери, як, наприклад, у печі для пайки оплавленням.
Малюнок 2. Зонд аналізатора кисню вимірює над центром сопла (ліворуч) і зміщується по осях X і Y, вимірюючи рівні кисню в різних місцях навколо сопел (праворуч).
Малюнок 3. Графік, що показує пропорційні рівні кисню відносно центру сопла та кожуха газового кільця (ліворуч), і графік, що показує графік рівня кисню в залежності від положення осей X і Y (праворуч).
Механізм утворення кульок припою
Вільні кульки припою з’являються на друкованій платі, коли купол розплавленого припою рухається між сусідніми виводами компонента з наскрізним отвором. Це особливо поширене явище, коли сопло рухається вздовж контактів багаторядних роз’ємів або подібних компонентів, коли купол розплавленого припою якимось чином «вдаряється» в наступні контакти.
У багатьох випадках наявність вільних кульок припою на поверхні друкованої плати вважається лише «косметичною» проблемою, яку можна усунути, очистивши поверхню звичайною щіткою. Однак в інших випадках вільні кульки припою можуть становити потенційну небезпеку: якщо їх діаметр достатньо великий і якщо вони не прилипають до маски припою, це може призвести до короткого замикання компонентів з малим кроком.
Малюнок 4. Приклад кульок припою, що прилипають до маски припою між сусідніми контактами THT (ліворуч), і рентгенівське зображення кульок між контактами 132-контактного компонента THT на багатошаровій платі (праворуч).
Система форсунок ControlFlow
Щоб зменшити утворення окалини та кульок під час селективної пайки, Nordson SELECT розробила систему сопел ControlFlow, що складається з трубки подачі припою з контрольованим потоком (так званий райзер) і зовнішньої втулки (мал. 5), яка збільшує зворотний потік розплавленого припою.
Малюнок 5. Система сопел ControlFlow із рифленою трубкою подачі припою, оточеною зовнішньою втулкою (ліворуч), і система ControlFlow із видаленою зовнішньою втулкою (праворуч).
Насадки ControlFlow доступні в розмірах 3-25 мм (0,118-1,00 дюйма) з міні-насадками розміром 4-25 мм (0,157-1,00 дюйма), з магнітним кріпленням. Нова конструкція райзеру з втулкою забезпечує кращий потік припою з меншою інтенсивністю коливань припою, що, як наслідок, зменшує явище утворення кульок припою.
Турбулентність припою
Вільні кульки припою також утворюються всередині дифузора або вертикальної частини сопла в результаті розбризкування сплаву, викликаного його турбулентністю, що створює силу, вищу за енергію поверхневого натягу припою. Отримані кульки часто прилипають до холодніших поверхонь, таких як труба сопла або паяльна маска для друкованих плат (це відбувається тому, що паяльна маска розм’якшується під час нагрівання у процесі пайки).
Тому слід уникати надмірного змішування та турбулентності припою, оскільки розпилений припій швидко з’єднується з киснем і утворює окалину завдяки поверхневій енергії. Спосіб зменшити кількість шлаку, що утворюється таким чином, полягає у використанні елементів дозування припою спеціальної форми: рифленої трубки подачі припою із зовнішньою втулкою, що радикально зменшує утворення кульок припою.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнуть
Твитнуть