Hot Air Leveling

Горячее лужение — одно из первых финишных покрытий, используемых при изготовлении печатных плат. Появившееся на российских предприятиях более 30 лет назад, горячее лужение и сегодня остается самым распространенным
финишным покрытием для плат 3–4‑го класса точности. Этот процесс имеется, пожалуй, у каждого российского производителя печатных плат. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, есть ряд нюансов, соблюдая которые, технолог не будет сталкиваться с браком фактически на последнем этапе производства. Итак, предлагаем подробнее рассмотреть основные стадии техпроцесса горячего лужения и обратить внимание на некоторые его усовершенствования.

Валентин Терёшкин, к. т. н.
Лилия Григорьева
Дарья Фролова

Применение покрытия HAL (Hot Air Leveling) в качестве финишного оправдано тем, что оно является одним из лучших способов защиты поверхности печатных плат в отношении паяемости, выдерживает множество циклов пайки, экономически выгодно, хотя и предусматривает ограничения в применении для прецизионных печатных плат. Используемый припой ПОС‑63 позволяет защитить медную поверхность контактных площадок платы и сохранить паяемость в течение длительного времени.

Учитывая, что НАL-процесс распространен на большинстве российских предприятий, считаем необходимым остановиться на некоторых аспектах его применения. Подготовка поверхности

Для очистки медной поверхности при производстве печатных плат широко используются кислые очистители. Они позволяют провести мягкую обработку и в сравнении со щелочными растворами гораздо легче удаляются при промывке, что позволяет значительно сократить расход промывных вод в установках.

Таким очистителем для подготовки поверхности перед горячим лужением является КО-СМ‑02, ТУ 2610-087-20809146-2008, производства СПбЦ «Элма», эффективно обезжиривающий и одновременно снимающий окислы с медной поверхности, а затем легко смываемый в холодной воде. Поставляется очиститель в виде концентрата, приготовление рабочего раствора осуществляется разбавлением его водой. Обработка в таком растворе обеспечивает удаление с заготовки окислов меди и всех жировых загрязнений, при этом исключается подтравливание меди. Данный раствор хорошо зарекомендовал себя и уже давно применяется на российских предприятиях. Режимы обработки: температура — +25…+35 °C, время обработки в струйной установке — 0,3–0,5 мин. Раствор может применяться как в горизонтальных конвейерных установках, так и в вертикальных машинах (типа «Элтрахим», производство ООО «СПбЦ «Элма»).

Дублирующим составом подготовки поверхности перед горячим лужением является и сам флюс, который, имея кислую среду, снимает окисную пленку с поверхности меди.

Для сильнозагрязненной поверхности печатных плат может использоваться процесс модифицированного микротравления ММТА-1272, ТУ 2620-12820809146-2015, обеспечивающий минимальное травление медной поверхности на глубину 0,3–0,5 мкм.

На рис. 1 представлена фотография с растрового электронного микроскопа с 5000‑кратным увеличением после обработки по процессу ММТА‑1272.

Режимы обработки:
• температура: (30±2) °C;
• время обработки: 20–30 с.
Достоинства процесса ММТА‑1272:
• обеспечивает очистку поверхности сильнозагрязненных печатных плат;
• простой контроль по анализам раствора;
• низкотемпературная обработка;
• раствор не воздействует на нержавеющую сталь, что предоставляет возможность применять его в установках различных производителей, как вертикальных струйных, так и конвейерного типа.

Для выполнения процесса подготовки поверхности могут применяться как горизонтальные конвейерные линии, так и универсальные автоматические вертикальные установки серии «Элтрахим» (рис. 2), разработанные и изготовленные ООО «СПбЦ «Элма».

Принцип работы установки

Принцип работы установки следующий: печатная плата на специальном подвесе транспортируется в камеру основной обработки, после чего включаются насосы высокого давления с подачей раствора на коллекторы форсунок, расположенных по обе стороны ПП. Первая камера герметична. Отработанный раствор стекает в бак. Печатная плата совершает осциллирующие движения вдоль форсунок. По завершении цикла в основной камере автоматически открываются пневмошторки, плата поступает во вторую камеру, где выполняется двустадийная отмывка. После окончания цикла печатная плата через сушильный модуль перемещается в зону выгрузки.

Блок-схема установки «Элтрахим» представлена на рис. 3.

Флюсование

Флюсование
Всем известно, что горячее лужение — это процесс образования паяного соединения медной поверхности печатной платы с жидким металлом сплава олово‑свинец. Паяное соединение получается в результате перемещения жидкой фазы ПОС по твердой поверхности меди и образования между ними прочной металлической связи до кристаллизации, при кристаллизации и после нее. Итак, на первой стадии физико-химического взаимодействия жидкого припоя олова-свинца с поверхностью меди именно флюс должен обеспечить необходимую смачиваемость.

В целом же флюс, применяемый в горячем лужении, должен обеспечить выполнение следующих требований:
• обеспечить соединение поверхности медии олова-свинца без окисных пленок и поддержать это состояние в течение всего процесса лужения;
• флюс должен способствовать растеканию припоя по паяемой поверхности и смачивать соединяемые поверхности;
• все компоненты, входящие в состав флюса, должны быть хорошо растворимы в воде и не должны снижать сопротивление изоляции диэлектрика печатных плат после отмывки флюса;
• флюс должен быть химически инертным по отношению к защитной паяльной маске;
• флюс должен быть устойчив к воздействию высоких температур при облуживании, а также при хранении и транспортировке.
• флюс не должен содержать опасных компонентов, превышающих предельно допустимые концентрации выбросов вредных веществ в рабочей зоне.

Отечественный флюс, применяемый для горячего лужения печатных плат и полностью соответствующий указанным выше требованиям,— это ФПГЛ‑05, ТУ 2630-166-20809146-2015. Производитель — ООО «СПбЦ «Элма» [1]. Физические свойства флюса ФГПЛ-05 приведены в таблице 1.

Ранее на рынке широко использовался и известен многим предприятиям флюс ФПГЛ-02.
Преимущества флюса ФПГЛ‑05 по сравнению с флюсом ФПГЛ‑02:
• пониженная коррозионность при сохранении высокой активности;
• лучшая смачиваемость медной поверхности;
• флюс не содержит экологически опасных компонентов.

Проведенные типовые испытания печатных плат, изготовленных с применением флюса ФПГЛ‑05, показали полное соответствие требованиям ГОСТ 23752 «Платы печатные. Общие технические условия».

Процесс нанесения припоя олово‑свинец с выравниванием горячим воздухом

Процесс нанесения припоя олово‑свинец с выравниванием горячим воздухом

Печатная плата с нанесенным флюсом контактирует с расплавом припоя в течение времени, достаточного для смачивания медной контактной площадки. Далее избыточный припой «сдувается» воздушным ножом. После отверждения покрытия под пайку с платы смываются остатки флюса, и она сушится. Наиболее гладкое и блестящее покрытие получают при воздушном охлаждении платы.

Сегодня в большинстве промышленных установок HAL используется вертикальный процесс нанесения высококачественного покрытия. Согласно этому процессу, в ванну с припоем на 2–3 с опускают приспособление с укрепленной на нем платой. При подъеме платы проходят между воздушными ножами, которые очищают их сквозные отверстия и формируют нужную толщину припоя на всех контактных площадках.

Отдельно следует обратить внимание на качество применяемого припоя. Припой с низким содержанием примесей имеет лучшую текучесть, обеспечивая мгновенное соединение припоя и меди. Достижению хорошего распределения припоя по поверхности способствует поддержание соотношения оловасвинца 63:37, при котором достигается точка эвтектики сплава. В процессе работы происходит накопление меди в припое. Это нежелательный процесс, так как медь с оловом может образовывать интерметаллические соединения типа Cu3Sn и Cu6Sn5, ухудшающие паяемость покрытия, а потому содержание меди в припое необходимо периодически анализировать и очищать от примесей меди [3].
Удаление остатков флюса и других загрязнений

Отмывка печатных плат после горячего лужения — важная и ответственная операция.Наличие ионных загрязнений может привести к снижению сопротивления изоляции диэлектрика, стать причиной электрохимической миграции металлов, утечек тока и даже коротких замыканий. Важность качественной отмывки повышается с ростом требований к надежности печатных плат. Безусловно, контроль чистоты отмывки печатных плат при этом остается важнейшей операцией в технологическом цикле. Остатки флюса ФПГЛ‑05, благодаря тщательно подобранному составу, хорошо отмываются в воде. Для отмывки печатных плат могут использоваться как горизонтальные линии, так и вертикальная струйная установка «Элтрахим ОГЛ». Данная установка аналогична по конструкции и внешнему виду «Элтрахим ПГЛ», описанной выше. Отмывка платы выполняется в два этапа, сначала теплой водой в камере основной обработки, а затем — в холодной (табл. 2).

Итак, были рассмотрены все стадии процесса горячего лужения. Описанные технологии и оборудование отвечают существующим стандартам и требованиям, применяемым к современным печатным платам. Все технологические процессы и химические материалы введены в отраслевой стандарт ОСТ 107 460092 028-96 «Платы печатные. Технические требования к технологии изготовления».

Литература
1. Рабочие материалы СПбЦ «Элма».
2. ОСТ 4 Г 0.033.200 «Припои и флюсы для пайки».
3. Environmental Aspects of Electrochemical Technology: Applications in Electronics. The Electrochemical Society, 1997.
4. Стандарт IPC-J‑STD‑004B «Требования к флюсам для пайки».
5. Стандарт IPC-TM‑650 «Руководство по методам испытаний».

Другие статьи