Паяльная паста своими руками. Паяльные пасты: преимущества, разновидности, особенности использования Лучшая паяльная паста

Михаил Нижник , генеральный директор, ООО «Группа МЕТТАТРОН»

Автор обобщает сведения о свойствах и поведении паст при пайке, опираясь на обширный опыт работы с паяльными пастами фирмы «KOKI» . Статья будет интересна технологу, работающему на линии поверхностного монтажа.

ВИДЫ ПАЯЛЬНЫХ ПАСТ

Пасты классифицируются по типу флюсов (см. рис. 1).

"Водорастворимую" паяльную пасту (остатки флюса после пайки растворяются водой), требующую обязательной отмывки из-за содержания активного флюса (см. таблицу 1), отмывают последовательно обычной, дистиллированной и деионизированной водой, причем на каждом этапе применяют струйную отмывку или ультразвук. Для "водорастворимых" паст, не требующих обязательной отмывки, процесс ограничивается дистиллированной водой.

Рис. 1. Классификация паяльных паст

С пастами, требующими отмывки специальными жидкостями, ситуация иная. Вне зависимости от наличия в составе галогенов, такие пасты основаны на канифольных флюсах, поэтому для их отмывки после пайки рекомендуется применять растворитель типа HCFC и омыляющий реагент. Потом отмывочные жидкости, в свою очередь, отмываются дистиллированной, а затем деионизированной водой.

Вместе с тем, многие паяльные пасты, не содержащие галогенов, отмываются трудно и оставляют на поверхности плат белесый остаток флюса. При этом стойкость к осадке считается важнее отмываемости.

Большинство паяльных паст, не требующих отмывки, освобождают производство от этого технологического процесса. Флюсы таких паст защищают паяное соединение от коррозии подобно лаку. Сосредоточимся на пастах, не требующих отмывки: они наиболее технологичны.

Рис. 2. Состав паяльных паст

Часто говорят: безотмывочные пасты не должны содержать галогенов. Надо четко уяснить, что если в документации на пасту указано «Требует отмывки», то мыть надо обязательно, а если такой маркировки нет, то вопрос решается исходя из дополнительных требований к изделию: внешний вид, нанесение лака.

В Японии, например, галогенсодержащие пасты (0,2%) в процессах без отмывки после пайки гораздо популярнее безгалогенных. Галогенсодержащие паяльные пасты сравнительно более технологичны, например, по паяемости, но часто уступают безгалогенным пастам по надежности, что проявляется в снижении сопротивления изоляции готового монтажа. Это объясняется более высокой химической активностью остатков флюса. Таким образом, паяемость и надежность, в большинстве случаев, - взаимоисключающие факторы.

Рис. 3. Основные характеристики, учитываемые при разработке или выборе паяльных паст

В идеале, для пайки без отмывки нужна паста без галогенов, но с паяемостью, как у галогенсодержащей пасты.

Трудность заключается в повышении химической активности безгалогенных безотмывочных паст. В большинстве таких паст в качестве активатора вместо галогенсодержащих соединений используются органические кислоты, причем чем меньше молекулярный вес кислоты, тем больше способность активации. Поскольку активирующее действие органических кислот гораздо слабее, чем у галогенсодержащих компонентов, стараются ввести в систему флюса пару десятков относительно активных органических кислот.

Вместе с тем такие высокоактивные органические кислоты поглощают влагу. Это чревато: оставшаяся в остатках флюса на поверхности подложки кислота при взаимодействии с водой ионизируется, что уменьшает поверхностное сопротивление изоляции и ведет к электромиграции.

В системах активации в паяльных пастах (здесь автор опирается на технические данные по пастам фирмы «KOKI») используются менее гигроскопичные органические кислоты и специально разработанный безионный активатор. Эта специальная система не диссоциирует на ионы, ее электрические свойства стабильны, а активирующая способность не уступает галогенам. Благодаря высокой температуре активации, безионный активатор в сочетании с тщательно подобранными органическими кислотами делает активацию на стадии оплавления более длительной. В результате паяемость улучшается не в ущерб надежности.

Вот примеры популярных типов паст:

• паяльная паста для высокоскоростной печати;
• паяльная паста с высокой смачивающей способностью;
• паяльная паста для автоматического внутрисхемного тестирования;
• универсальная паста с чрезвычайно длительным временем жизни на трафарете.

СОСТАВ ПАЯЛЬНЫХ ПАСТ

Паяльные пасты состоят из припоя и флюса (см. рис. 2). При выборе комплекса припой + флюс для паяльной пасты учитывают характеристики, приведенные на рис. 3.

Порошок припоя

Для производства порошка припоя используют методы газового и центробежного распыления. Особенности метода газового распыления:

Получение частиц малого размера;

Легкость управления процессом образования окисной пленки на поверхности частиц;

Низкий уровень окисления частиц припоя.

Полученные частицы порошка припоя имеют размеры 1–100 мкм. На распределение размеров частиц припоя и их диаметр влияет скорость подачи припоя, скорость вращения шпинделя и содержание кислорода.

Рис. 4. Получение порошка припоя газовым распылением

Порошок получают в емкости высотой около 5 м и диаметром 3 м, которая заполнена азотом и кислородом очень малой плотности (см. рис. 4). Слитки припоя плавят в тигле, расположенном в верхней части резервуара. Расплавленный припой капает вниз на шпиндель, вращающийся с большой скоростью. Когда капли припоя попадают на шпиндель, происходит разбрызгивание припоя в направлении стенок резервуара, при этом припой приобретает сферическую форму и затвердевает до того, как эти частицы достигнут стенки резервуара.

Рис. 5. Степень окисления частиц припоя в зависимости от их размера

Затем порошковый припой попадает на сортировочное сито, где лучше всего использовать метод двойной сортировки порошка припоя. На первой стадии порошок сортируют струей азота от воздуходувки. При этом отсеиваются частицы с размерами меньше нужного. Затем порошок идет на сито, где задерживаются частицы с размерами, превышающими заданные величины.

Паяльные пасты с размером частиц 20–38 мкм применяются при монтаже печатных плат с шагом апертур трафарета до 0,4 мм, а с размером 20–50 мкм - для шага от 0,5 мм.

На качество порошков влияют два фактора.

Распределение размера частиц влияет на реологию паяльных паст, печать, растекаемость, характер отделения от трафарета и показатели осадки паст. Минимальный размер апертур трафарета зависит от минимального размера контактных площадок на печатной плате, при этом максимальный размер апертуры меньше или равен размеру контактной площадки. Нужный размер частиц подбирайте из расчета, что в самую маленькую апертуру трафарета должно гарантированно уместиться не менее 5 частиц припоя, как показано на рис. 12.

Флюс

Второй компонент паяльной пасты - это флюс. Роль флюса в паяльных пастах та же, что и при пайке «волной припоя», или селективной пайке. Флюс должен:

Удалить оксидную пленку и предотвратить повторное окисление в процессе пайки. Металлические поверхности в условиях высоких температур при оплавлении быстро окисляются. Твердые компоненты флюса при этих температурах размягчаются и переходят в жидкое состояние, покрывая и защищая спаиваемые поверхности от повторного окисления. Флюс восстанавливает металл и удаляет оксидную пленку с поверхности контактов электронных компонентов, финишного покрытия печатной платы и поверхности порошка припоя;

Удалить загрязнения. Впрочем, флюс не справится с большим количеством пото-жировых отпечатков, поэтому лучше плату брать в руки в перчатках;

Обеспечить стабильность вязкости пасты, требующуюся при печати и оплавлении.

Основные флюсующие компоненты и их роль указаны в таблице 3.

Рассмотрим теперь факторы, влияющие на качество печати.

Рис. 6. Факторы, влияющие на качество печати

ПРИНТЕРЫ

Электронная промышленность развивается, и плотность монтажа компонентов на печатной плате растет, а размер компонентов уменьшается. Из-за этого требования к характеристикам и качеству паяльных паст ужесточаются.

Критичный фактор при монтаже печатных плат с высокой плотностью монтажа компонентов - выбор оборудования и параметров печати, а также качество и характеристики паяльных паст. Это означает, что даже если подобрана потенциально очень хорошая паяльная паста, результат может оказаться удручающим только из-за неправильной установки рабочих параметров принтера или неудачного подбора ракеля и способа изготовления трафарета.

Факторы, определяющие качество печати, перечислены на рисунке 6. Рассмотрим их подробнее.

Трафареты

Способы изготовления трафаретов (см. рис. 7):

Химическое травление;

Лазерная резка;

Гальванопластика.

Прежде использовались трафареты, полученные химическим травлением, в силу их относительной дешевизны. Однако форма апертур таких трафаретов не позволяет получать качественную печать при размере апертур менее 0,5 мм.

Трафареты, изготовленные лазерной резкой, имеют меньший размер апертур, но на стенках апертур остается окал, получившийся в результате плавления металла. Без дополнительной обработки такие трафареты невозможно использовать для апертур шириной менее 0,4 мм или под корпуса BGA c диаметрами площадок 0,25–0,3 мм. Эта проблема легко решается путем электрополировки трафаретов, которая убирает шероховатость со стенок апертур, что позволяет использовать такие трафареты при размере апертур до 0,2 мм.

Третий метод - гальванопластика - дает трафареты с размером апертур до 0,1 мм. Используется крайне редко, потому что такой размер апертур практически не используется, а стоимость производства высока.

Толщина трафарета определяется минимальными размерами и шагом между апертурами. Чем тоньше трафарет, тем лучше результаты при печати, поскольку тонкие трафареты вызывают меньшее напряжение сдвига в пасте при отделении от подложки (см. рис. 8).

Рис. 8. Чем тоньше шаблон, тем меньше сдвигается паста при отделении от подложки

Желательно, чтобы размер апертуры был несколько меньше площадки на печатной плате, чтобы скомпенсировать растяжение трафарета, допуски на совмещение и осадку паяльной пасты. Пример апертуры под контактную площадку вывода корпуса QFP (шаг 0,5 мм) приводится на рисунке 9.

Рис. 11. В отверстиях со скругленными углами адгезия между пастой и стенками отверстий меньше

Рис. 12. В самое маленькое отверстие трафарета должны вписываться от 4 до 5 самых больших шариков припоя

Геометрическая форма апертур сильно влияет на число дефектов пайки. Поэтому к изготовлению трафаретов нужно подходит очень ответственно, как на этапе конструирования, так и на этапе изготовления.

Правила расчета размеров апертур иллюстрирует рисунок 10. Рисунок 11 показывает, что при использовании апертур со скругленными углами уменьшается адгезия между пастой и стенками апертур при отделении трафарета от подложки, что уменьшает искажение отпечатка.

Что касается минимального размера апертур, то не менее 5 самых больших шариков припоя должны вписываться в самую маленькую апертуру по ее меньшей стороне (см. рис. 12).

Ракели

Ракели бывают резиновыми и металлическими. Резиновые ракели подразделяются по форме на квадратные, плоские и сабельные (см. рис. 13). Нельзя сказать, какой из ракелей лучше: от рабочего угла ракеля зависит растекаемость пасты, а хорошая растекаемость дает должное заполнение каждой апертуры паяльной пастой.

Рабочий угол сабельного ракеля составляет 70–80°. Поскольку сила, направленная вниз, относительно невелика, такой ракель больше подходит для паст с низкой вязкостью.

У квадратного ракеля рабочий угол составляет 45°. Он оказывает высокое давление на паяльную пасту, поэтому его лучше применять для высоковязких паст. Если работать этим ракелем с низковязкими пастами, то паста затечет под трафарет (см. рис. 14).

Рабочий угол плоского ракеля - 50–60°. Изменяя угол наклона, можно работать с пастами различной вязкости.

При работе с резиновыми ракелями надо постоянно следить, чтобы рабочая кромка всегда была острой. При износе кромки приходится увеличивать нажим, чтобы избежать размазывания пасты. При этом возрастает и давление, под которым происходит заполнение апертур пастой, что увеличивает трение между частицами припоя и неблагоприятно влияет на отделяемость пасты от стенок апертур.

В отличие от резиновых, жесткие металлические ракели не изнашиваются, работают долго и не захватывают пасту из отверстий.

Я искал какой-нибудь способ подготовки моих самодельных печатных плат. Одно из решений, которое пришло мне в голову — это оплавление паяльной пастой. Другое очень крутое использование паяльной пасты — это ремонт латунных деталей — таких как трубы, тромбоны и тубы, потому что все, что нужно сделать, это разогреть соединение с намазанной пастой, и при правильной температуре оно склеивается.

Показать еще 11 изображений

Если вы искали паяльную пасту в интернете, то знаете, что она стоит очень немало. Мне было интересно, можно ли сделать паяльную пасту своими руками начального уровня в домашних условиях. Посмотрев несколько форумов, я нашел диалог, в котором кто-то использовал стружку из припоя смешанного с флюсом и у него получилось заменить припойную пасту.

Я решил попробовать сделать состав, и в процессе выяснилось, что это намного проще, чем я думал. Вся суть в том, что работа с предварительно обработанными платами становится намного проще, и время пайки значительно сокращается.

Предупреждение: этот проект содержит работу со свинцовой стружкой. Работайте в хорошо вентилируемой зоне и надевайте маску и перчатки. Также убедитесь, что материалы не попадают в пищу.

Что вам понадобится:

1. Твердый припой — 50-50 или 60-40. Вы можете использовать припой с флюсом, но не на кислотной основе, поскольку она будет разъедать ваши компоненты.
2. Напильник — мелкий или средний. С более мелким придется потратить больше усилий, но паста будет качественнее.
3. Флюс для припоя — также называется паяльной пастой, но не путайте с реальной паяльной пастой. Убедитесь, что основой пасты не является кислота! Недобросовестные магазины продают такие вещи.
4. Печь, источник огня или духовка.

Эта инструкция включает в себя 12 шагов.

Шаг 1: Подготовьте куски припоя для плавки

1. Разрежьте припой на полоски или кусочки
2. Сделайте емкость для плавления из алюминиевой фольги. Сложите фольгу в несколько слоев, чтобы свинец не просочился и не испортил вашу печь.
3. Сделайте «лодочку» или «миску»

Шаг 2: Подвергните припой температурной обработке

Вам нужно довести твердый кусок припоя до состояния большой капли. Я использовал печь на самом высоком уровне жара в течение 40 минут.

Вы можете также поместить алюминиевую лодочку на металлический противень поверх решетки. Предупреждение: не кладите емкость прямо на источник тепла, так как в алюминии появится дырка и свинец вытечет. После того как припой расплавится, выньте его и остудите. Форма на выходе не имеет значения.

Шаг 3: Охлаждение и предварительная подготовка

Уберите алюминиевую фольгу.

Примечание: удостоверьтесь, что вы полностью удалили следы алюминия, чтобы он не попал в пасту для пайки оловом.

Шаг 4: Измельчение куска припоя

Это просто: при помощи напильника измельчите свинец в мелкий порошок. Обратите внимание, что если вы трете слишком сильно, песок будет слишком крупным и припой начнет нагреваться, поэтому время от времени припой нужно поворачивать.

Обязательно наденьте защитную маску и перчатки!

Шаг 5: Смешайте порошок с флюсом

Шаг 6: Первый тест

После нескольких тестов на платах я решил попробовать смесь в реальном проекте. Для этой цели я взял классический базовый предусилитель и решил пересадить его в ленточный микрофон RCA Varacoustic; предусилитель улучшит звук микрофона, даст ему фантомное питание и его можно будет реально использовать.

Я спешил, чтобы похвастаться, поэтому, к несчастью, не очистил весь фоторезист (синий осадок на некоторых панелях и дорожках). В этих местах припой не сядет должным образом. В следующий раз я вымочу плату в пищевой соде, вместо того чтобы быстро очистить её.

Шаг 7: Добавляем тонкий слой пасты

Я покрыл плату, как мне казалось, тонким слоем пасты. Позже выяснится, что я должен был положить меньше пасты и размазать. Не так важно, где находится припой. Как только флюс и припой расплавятся, припой волшебным образом покроет медные дорожки.

Совет: для лучших результатов травления, экспонирования и лужения эффективно будет очистить плату при помощи кухонного чистящего средства типа Comet, это лучше, безопаснее и быстрее, чем использование ацетона.

Шаг 8: Нагреваем плату — часть 1

Для демонстрации я использовал паяльный фен. Если ваш фен нагревается до 260 градусов Вы можете использовать метод пайки-сварки с оплавлением.

Шаг 9: Нагреваем плату — часть 2

Здесь я сфотографировал процесс на полпути — просто чтобы показать, как паста течет по дорожкам.

Шаг 10: Почти готово

После того как припой полностью растекся по плате, сверху останется слой флюса, который нужно будет очистить используя Comet или мыло с водой. Вы можете использовать абразивы, чтобы избавиться от флюса.

Шаг 11: Финальная версия платы

Как вы видите, для первой попытки вышло неплохо — никаких перебоев в дорожках! Сборка платы становится очень простой. Вы можете таким же образом крепить SMD детали к плате (я попробовал, на плате есть несколько элементов SMD, которые легко прикрепились).

Шаг 12: Конечный результат

В результате вышел экономный и нетрудоемкий способ заменить канифоль, которой хватит надолго.

Радиолюбители давно облюбовали такое новшество как паяльная паста. Изначально она была придумана для пайки SMD компонентов при машинной сборке плат. Но сейчас такую пасту многие применяют для обычной ручной пайки деталей, проводов, металлов и т.п. Оно и понятно – все в одном под рукой. Ведь почти фактически паяльная паста - это смесь флюса с припоем.

На самом деле, чтобы сделать паяльную пасту для нужд радиолюбителей, потребуется не так уж много сил, времени и ингредиентов.
Для изготовления паяльной пасты нам потребуется:

1. Вазелин медицинский. Используется как загуститель;
2. Флюс ЛТИ-120 или другой жидкий.

1. Пруток оловянно-свинцового припоя;
2. Паяльный жир. А уж если найдете «активный жир» так вообще красота.

Как сделать паяльную пасту?

Испытание пасты пайкой