Оценка качества монтажных соединений электронной аппаратуры

Для того чтобы продемонстрировать возможности использования угла смачивания для оценки качества паяного соединения, ниже приводится несколько взятых из практики примеров. На рисунке 1.1, а показано соединение, выполненное на печатной схеме при хорошем смачивании. На рискунке 1.1, б представлена не смоченная поверхность.

а)б)

а – хорошее смачивание; б – плохое смачивание

Рисунок 1.1 – Оценка качества паяного соединения с помощью угла смачивания

Под не смачиванием мы понимаем процесс, когда сначала припой смачивает поверхность, но затем вследствие недостаточного смачивания стягивается, оставляя за собой на поверхности основного металла тонкий слой затвердевшего сплава. Основная масса припоя свертывается в шарики. Такая картина обычно является результатом неудовлетворительной подготовки поверхности и в качественном соединении недопустима.

Прочностные показатели МОС являются определяющими при оценке возможности монтажного соединения и в целом ЭА выдерживать механические и термоциклические нагрузки. Здесь могут быть использованы общепринятые методы оценки прочностных показателей. Прочность материалов в значительной степени определяется его составом и структурой. На определенном этапе формирования соединений происходит изменение агрегатного состояния МОС путем перевода его в жидкую фазу с помощью повышения температуры, добавки растворителей и других факторов, увеличивающих реакционную способность контактирующих материалов. Жидкофазные материалы характеризуются тем, что в них происходят определенные, изменяющие состав и структуру, физико-химические превращения в гетерогенной системе, которые составляют основу формирования прочности монтажного соединения и затрагивают его электропроводность [1, 5 – 7]. В этой связи можно поставить под сомнение достаточность оценки свойств МОС по общепринятым методикам и поставить вопрос о контроле свойств в составе монтажных соединений.

1.2 Анализ процессов формирования и изменения свойств МОС при образовании монтажного соединения

Для образования монтажных соединений в ЭА в зависимости от выполняемых функций (механическое крепление, электрический контакт и т.д.) используются разнообразные материалы, позволяющие создавать клеи, припои и пасты.

Клеевые соединения реализуют сложный механизм, приводящий к межмолекулярным связям между контактирующими поверхностями, следовательно, контролировать прочность клея вне соединения представляется нецелесообразным.

Учитывая полное изменение агрегатного состояния паст в процессе монтажа, контроль их прочности в составе соединения остается единственным способом получения необходимой информации.

Для электрического монтажа, наибольше применение находят припои на основе различных металлов и сплавов. В [1, 2, 8 – 10] приводятся данные по формированию структуры и изменению состава припоя в процессе образования соединения.

Проанализировав дефекты паяных соединений и причины их появления, можно отметить, что среди них одной из основных является состав припоя, который оказывает определяющее действие на его физические свойства.

При рассмотрении физических свойств оловянно-свинцовых припоев можно иметь в виду, что дисперсионное твердение приводит к образованию нежелательных интерметаллических соединений, которые сообщают металлу хрупкость и уменьшают его прочность. Наличие загрязнений на соединяемых поверхностях может существенно повлиять на качество соединений. Кроме остатков органических и минеральных зазрязнений большое влияние на качество могут оказать материалы соединяемых поверхностей приспособлений, присадок.

В оловянно-свинцовом припое при температурах пайки может раствориться менее 0,5 % алюминия. Исследований по растворимости алюминия в оловянно-свинцовых припоях при более высоких температурах не проводилось. При комнатной температуре алюминий не дает твердых растворов ни с оловом, ни со свинцом. В жидком олове незначительное количество алюминия растворяется лишь при повышенных температурах, главным образом выше нормальных температур пайки. В жидком припое алюминий обычно вызывает загустевание расплава и дает на погружаемых в припой деталях зернистость. В литературе указывается, что алюминий уже в количестве 0,001% приводит к «слабому сцеплению, зернистости и тенденции к образованию горячих трещин». Это является одним из ограничением при решении вопросов применения алюминия в соединениях ЭА. Алюминий не смачивается обычными флюсами, приемлемыми для производства электронных приборов, то имеется тенденция изготовлять из него приспособления для пайки. Непрерывная эрозия алюминиевых деталей, происходящая под действием припоя, в конце концов приведет к переходу алюминия в припой, что потребует замены припоя. Если же неизбежно, чтобы некоторые алюминиевые детали контактировали с жидким припоем, то, даже при малой длительности контакта, эти поверхности следует предварительно анодировать. Установлено, что анодированные поверхности противостоят действию расплавленного припоя в течение более длительного времени, чем такие же алюминиевые детали, покрытые их обычными окислами.

Висмут хорошо растворяется в твердом свинце (до 18 % при комнатной температуре) и малорастворим в твердом олове (всего около 1 % при комнатной температуре) в припое является часто легирующей присадкой. Висмут сам по себе улучшает смачиваемость припоя. Его широкое применение ограничивается лишь тем обстоятельством, что он при затвердевании испытывает необычные преобразования решетки. Кроме того, введение висмута в припой повышает сопротивление сплава. Образование твердых растворов повышает сопротивление и охрупчивание чистой фазы.

Железо в твердом свинце не растворяется, но в олове при повышенных температурах оно в некоторой степени растворимо и образует два интерметаллическнх соединения (FeSn и FeSn2). Присутствие железа даже в небольших количествах (около 0,1%) приводит к зернистости припоя и чрезвычайно вредно. Железо как таковое при температурах пайки растворяется в припое с трудом. Ванны для пайки чаще всего изготовляют из чугуна, и никаких трудностей в связи с этим не возникает. Вместе с тем при температурах выше 425°С железо легко переходит в расплав оловянно-свинцового припоя. Поэтому очень существенно, чтобы в конструкции, например, ванны не было чрезмерно горячих участков, и чтобы нагревательные элементы не контактировали с расплавленным припоем.

Работая с обычным флюсом, смачивания железа можно избежать, нагревая конструкцию, например приспособление, открытым пламенем до появления синего цвета побежалости или до образования толстого слоя окалины. Сообщений о том, что нержавеющая сталь имеет какие-либо преимущества перед обычным чугуном, не публиковалось, хотя она лучше сопротивляется корродирующему действию флюсов, чем обычные чугун и сталь.

При комнатной температуре растворимость золота в оловянно-свинцовом припое ничтожно мала. Однако золото дает несколько интерметаллических соединений со свинцом (Аu2Рb и АuРb2) и оловом (Аu6Sn, АuSn, АuSn2 и АuSn4). При пайке золота таким припоем шов имеет чрезвычайно тусклую и пористую поверхность; избежать этого можно лишь, выполняя пайку с очень большой скоростью, чтобы интерметаллиды не успели подняться на поверхность. Как сообщается в литературе, максимальное количество золота в ванне припоя не должно превышать 0,02–0,2%, потому что иначе расплав становится чрезмерно загустевшим и тусклым.

 Скачать реферат