Многие разъемы и сопутствующие компоненты подвергаются процессам соединения, которые в основном включают пайку. Менее часто используемые процессы соединения включают сварку, пайку и использование органических соединений, как проводящих, так и непроводящих (эпоксидные смолы, «органические припои» и т. д.). Различие между твердой пайкой и мягкой пайкой (припайка) несколько условно.
В обоих процессах используется присадочный сплав для соединения двух поверхностей без плавления самих подложек. Основное различие между твердой пайкой и мягкой пайкой основано на температуре плавления припоя (или, в более общем плане, на температуре ликвидуса – точки, когда припой полностью жидкий). Эта граница обычно устанавливается на уровне 450°C (840°F); ниже этой температуры процесс считается мягкой пайкой, а выше – твердой пайкой.
На начальных этапах пайки на паяемую подложку наносится флюс. Целью флюса является удаление любого оксида, что позволяет расплавленному припою смачивать чистый металл подложки. Это создает интерфейс между жидким припоем и твердой подложкой, который имеет более низкую энергию интерконтакта, чем чистый интерконтакт металл/флюс, который заменяет контакт металл/припой. Эта разница в энергии компенсирует увеличение энергии, вызванное большей площадью поверхности припоя, возникающее из-за растекания. Именно это уменьшение общей энергии системы припой/подложка приводит к смачиванию подложки припоем. Альтернативный способ объяснения процесса смачивания использует поверхностное натяжение вместо поверхностной и/или межфазной энергии, этот подход объясняет смачивание и распространение с точки зрения баланса сил. Чтобы припой смачивал подложку, поверхностное натяжение границы раздела подложка/флюс должно быть больше векторной суммы поверхностных натяжений границ припой/подложка и припой/флюс.
Расплавленный припой взаимодействует с твердым металлом подложки, растворяя часть его. Скорость растворения сильно варьируется в зависимости от комбинации припой/подложка. Эти скорости экспоненциально увеличиваются с температурой припоя. Металл припоя также реагирует с металлом подложки, образуя интерметаллические соединения (ИМС). Наиболее распространенными примерами таких реакций являются ИМС олово-медь и олово-никель. Определенная комбинация металлов припоя-подложки приводит к определенному образованию ИМС. Можно определить потенциальные ИМС, которые формируются в системе, обратившись к соответствующей фазовой диаграмме. В случае, если существует несколько возможных ИМС, могут потребоваться более продвинутые аналитические методы, такие как рентгеновская дифракция (XRD) или сканирующий электронный энергодисперсионный рентгеновский анализ (SEM EDAX), чтобы идентифицировать фактические фазы, которые образуются в определенных условиях.
Успешная пайка разъемов обычно представляет больше проблем, чем пайка других компонентов печатной платы, из-за большего размера разъемов и большей тепловой массы. Для разъемов может потребоваться более высокая температура обработки и/или более длительное время выдержки, чтобы обеспечить адекватное плавление припоя и смачивание подложек. Более высокие температуры процесса и более длительное время выдержки создают большую нагрузку на плату и остальные паяемые компоненты. Эти нежелательные эффекты можно свести к минимуму за счет строгого контроля параметров процесса.
Паяные соединения должны выполнять как механические, так и электрические функции. В идеале паяные соединения не должны иметь как внешних, так и внутренних дефектов. Хороший процесс пайки должен обеспечивать прочные соединения, однородный внешний вид и хорошее смачивание подложек и выводов. Неправильный процесс пайки может сделать соединения уязвимыми для ряда проблем, что приведет к снижению надежности. Плохое и/или неполное смачивание границы раздела из-за оксида или загрязнения может привести к расслоению. Внутренние дефекты, такие как пустоты или чрезмерный рост интерметаллидов, могут привести к растрескиванию паяных соединений. Любые такие дефекты отрицательно скажутся на надежности паяного соединения, делая его уязвимым к усталостному разрушению (тепловому или механическому). Чрезмерный рост интерметаллических соединений ослабляет границу раздела припой-подложка и может привести к растрескиванию на границе раздела, а также к расслоению; некоторые интерметаллические соединения (например, ИМС золото-олово) при концентрации выше критической также могут привести к охрупчиванию припоя.
Вот еще одно важное требование к процессу пайки: он не должен отрицательно влиять на работу контактных пружин на разъемном контактном интерфейсе. Температура пайки обычно слишком низкая, а время выдержки слишком короткое, чтобы повлиять на механические свойства пружин разъема, однако некоторые виды отделки могут быть уязвимыми и могут пострадать. На чрезвычайно тонкие покрытия может повлиять диффузия основного металла во время высокотемпературной части процесса пайки, что приводит к образованию оксидов на поверхности покрытия. Этот оксид может увеличить сопротивление контактов до неприемлемого уровня, особенно в случае слаботочных и низковольтных приложений. Наиболее типичным примером этого является диффузия меди через золото.
Еще одной проблемой при пайке является паяемость компонентов, особенно в том, что касается срока годности, когда в игру вступают такие проблемы, как диффузия, рост интерметаллических соединений и коррозия. Предметы, подлежащие пайке – выводы и выводы припоя на компонентах, контактные площадки и сквозные отверстия на печатных платах – должны сохранять способность к пайке с момента их производства до момента их пайки. Это не вызывает беспокойства, если не требуется значительное время хранения (например, при производстве «точно в срок»).
Однако если детали и компоненты хранятся в течение значительного периода времени, их паяемость может ухудшиться. Это особенно актуально, если условия хранения не контролируются климатом (по температуре и влажности) или детали транспортируются (особенно на корабле) без хранения с контролируемым климатом. Усугубляет ситуацию наличие в атмосфере при хранении коррозионно-активных веществ. Если существуют сомнения в возможности пайки, детали можно проверить перед сборкой либо простым методом погружения, либо с использованием смачивающих весов (менискографа). Если перед использованием детали необходимо хранить в течение длительного времени, можно провести соответствующие испытания на ускоренное старение, чтобы спрогнозировать их характеристики после хранения.
Бессвинцовое покрытие и пайка создают множество дополнительных проблем в и без того сложном и трудоемком процессе. Во-первых, не существует ни одного «запасного» состава, способного заменить оловянно-свинцовый припой. Несмотря на то, что существует большой объем исследовательских данных по оловянно-свинцовым припоям, технологические исследования по бессвинцовой пайке все еще довольно ограничены, особенно по сравнению с большим объемом исследований по свинцовым припоям. Бессвинцовые припои обычно не смачиваются так же хорошо, как стандартный припой из 60% олова и 40% свинца. Бессвинцовые припои также полностью плавятся при более высоких температурах по сравнению с оловянно-свинцовым припоем, за исключением некоторых специальных припоев, которые, как правило, стоят дорого. Поэтому бессвинцовые припои требуют более высоких температур обработки, что может негативно повлиять на все компоненты. Из-за более высоких температур обработки контроль процесса должен быть гораздо более строгим. Кроме того, бессвинцовые контактные покрытия, которые необходимо использовать в сочетании с бессвинцовыми припоями, обычно либо хуже паяются, либо создают другие проблемы, такие как охрупчивание соединений из-за роста усов золота и олова при покрытиях из чистого олова. Надежные процессы пайки и соединения необходимы для надежности большинства электронных и электрических устройств.
© digitrode.ru