Надежность паяных электрических соединений
Инженер Р. Ш. ЯГУДИН
В настоящее время при изготовлении, ремонте и эксплуатации аппаратуры автоматики, телемеханики и связи используется в основном объемный монтаж. Надежность аппаратуры с объемным монтажом в значительной степени зависит от надежности паяных электрических соединений.
Надежность паяных соединений во многом определяется чистотой поверхностей и оптимальным зазором между спаиваемыми металлами, гарантирующим проникновение в них жидкого припоя, равномерным нагревом выводов элементов на 30—50° С выше температуры полного расплавления припоя.
Конструкция паяного узла должна обеспечивать хорошее затекание припоя в зазор между выводами спаиваемых элементов, неподвижность выводов в процессе пайки и уменьшение влияния внешних механических нагрузок на соединения в процессе эксплуатации аппаратуры.
Величина зазора зависит от металла спаиваемых проводов, флюса, припоя. Неподвижность выводов достигается их загибанием перед пайкой, а уменьшение влияния внешних механических нагрузок в условиях эксплуатации (вибрации и ударов) —дополнительным креплением. .
Флюс должен удалять окисную пленку с поверхностей спаиваемых выводов, защищать их от окисления в процессе пайки и способствовать лучшему затеканию расплавленного припоя в зазор между выводами. Оставшийся в местах пайки флюс не должен вызывать коррозии и изменять электрическое сопротивление изоляции.
Припой выбирают с учетом температуры, при которой наступает активность флюса. При этом температура плавления припоя должна быть на 20—40° С выше рабочей температуры флюса.
Наибольшее применение при пайке находят припои типов ПОС-61, ПОС-50 и ПОС-40 с температурой полного расплавления соответственно 185, 210 и 235° С. Для лужения, а в некоторых случаях и для пайки электрических соединений в сочетании с активизированными флюсами применяют легкоплавкие припои: ПОСВ-33 (22% олова, 51% свинца и 27% вис¬мута) с температурой пайки 180° С; ПОСК-47 (47% олова, 30% свинца и 17% кадмия) с температурой пайки 190° С; ПОСК-50 (50% олова, 32% свинца и 18% кадмия) с температурой пайки 195° С или припой Розе (28% свинца, 22% олова, 50% висмута) с температурой пайки 144° С. Однако соединения, выполненные этими припоями, обладают недостаточной механической прочностью и надежностью.
Режим процесса пайки (степень и продолжительность нагрева) выбирается с учетом свойств флюса, основных металлов и припоя. Также необходимо учитывать отрицательное влияние повышенного температурного режима пайки на надежность полупроводниковых приборов.
Наиболее распространенным методом соединения элементов при объемном монтаже является пайка паяльником. Для получения паяных соединений высокого качества большое значение имеют выбор паяльника и его подготовка к пайке. Рабочий конец медного стержня паяльника (лезвия) запиливают под конус (с углом 45°), зачищают и облуживают. Форма и длина медного стержня паяльника должны быть удобные для работы, а температура лезвия паяльника во время работы должна поддерживаться постоянной.
Нестабильность режима пайки (продолжительность и температура нагрева) является одной из причин снижения качества паечных соединений. Нарушение режима может происходить из-за изменения напряжения питания нагревательного элемента, изменения длины медного стержня и несоответствия массы паяльника массе спаиваемых деталей.
Изменение напряжения питания нагревательного элемента + 10% изменяет температуру лезвия паяльника также на +10%- Уменьшение длины медного стержня (за счет сгорания во время работы) вызывает возрастание температуры лезвия паяльника, что ведет к перегреву припоя и снижению качества соединений. Поэтому, когда длина наружной части стержня уменьшится до 30 мм, его необходимо заменять.
Масса медного стержня паяльника и мощность электрического нагревательного элемента должны обеспечивать аккумуляцию такого количества тепла, чтобы при соприкосновении лезвия паяльника с паяемыми деталями температура нагрева припоя в месте пайки не опускалась ниже 250° С для припоя ПОС-61, 270—280° С для ПОС-50 и 280—300° С для ПОС-40.
Рекомендуемые размеры медного стержня и мощность нагревательного элемента паяльника при пайке проводов различных диаметров указаны в таблице.
Температура лезвия паяльника считается нормальной, если припой быстро плавится, но не скатывается с лезвия, а канифоль сгорает не мгновенно, некоторое время оставаясь на плоскости лезвия в виде кипящих капель.
Место пайки необходимо хорошо прогревать паяльником до обеспечения полного расплавления припоя и его стекания во все зазоры между соединяемыми деталями. Лезвие стержня паяльника должно соприкасаться с местом пайки по возможности наибольшей площадью.
Показателем достаточного нагрева места пайки является полное расплавление припоя и его жидкое текучее состояние. Во избежание перегрева деталей в местах соединений пайку следует выполнять быстро, не дольше 5 сек.
Наиболее высокая надежность паечных соединений объемного монтажа достигается при их пайке припоем ПОС-61. При этом рекомендуется использовать трубчатый припой, который представляет собой пустотелую трубку небольшого диаметра, заполненную флюсом.
Флюс подводится к месту пайки подогретым, что увечичивает его активность и улучшает качество пайки. Рекомендуется также применять трубчатые припои, имеющие несколько каналов, заполненных флюсом. Трубчатые припои изготовляют с наружным диаметром от 1 до 5 мм и внутренним от 0,5 до 2,5 мм.
В пайках объемного монтажа часто встречаются ложные пайки, когда припой, полностью покрывая место спая и имея блестящую поверхность, не обеспечивает хорошего электрического соединения. Основная причина возникновения таких дефектов заключается в неудовлетворительной подготовке мест пайки.
При подготовке места пайки необходимо, чтобы выводы навесных элементов, концы проводов после снятия с них изоляции, лепестки и контакты были очищены от пленок окислов, краски, лака, жира и других загрязнений и хорошо облужены припоем.
Кроме того, должен быть обеспечен свободный доступ к месту пайки без опасности нанесения повреждения соседним элементам, а все вспомогательные работы (сверление, крепление лепестков и т. п.) нужно сделать до момента пайки.
В процессе пайки необходимо соблюдать следующие основные условия:
-провода требуемой длины и формы и выводы деталей изготовляют перед пайкой и вне прибора;
-подгонку сопрягаемых деталей, загибание концов у проводов и деталей производят до пайки (в холодном состоянии);
-обеспечивают неподвижность соединяемых деталей во время пайки и смачивание флюсом перед пайкой (если припой не трубчатый);
-провода диаметром более 0,5 мм закрепляют путем продевания концов в отверстие лепестка контакта (концы изгибают в виде крючка и обжимают). Провода диаметром менее 0,5 мм перед пайкой обматывают вокруг тела лепестков или контактов;
-не присоединяют внахлестку несколько проводов к одному лепестку или контакту.
-Провода обязательно закрепляют перед пайкой между собой на лепестке или контакте путем скручивания и обжатия (общее количество проводов у одного лепестка или контакта не более трех);
-нельзя соединять пайкой свободно висящие провода.
Любой процесс пайки объемного монтажа должен заканчиваться контролем качества паяного соединения. При этом каждое соединение осматривают невооруженным глазом, а в случае необходимости — с помощью лупы 5—10-кратного увеличения.
Соединения, на которых обнаруживают раковины, трещины, сквозные прожоги, наплывы, острые выступы и другие недостатки, подвергают повторной пайке. Перед повторной пайкой тщательно удаляют старый припой. Соединения, на которых не обнаружены дефекты, закрашивают цапонлаком.
При оценке надежности паяных электрических соединений необходимо учитывать возможные причины возникновения отказов, среди которых различают отказы, обнаруженные сразу же после окончания монтажа, и отказы, происшедшие спустя несколько недель, месяцев после пуска аппаратуры в эксплуатацию.
Причинами первых отказов в большинстве случаев являются дефекты материалов или метода пайки, причинами вторых — неправильная конструкция паяного узла и преждевременное ухудшение физико-химических свойств припоя, вызванное неудовлетворительным выбором режима пайки.
Оценивать уровень надежности паяных электрических соединений наиболее целесообразно по статистическим данным отказов, полученным при эксплуатации аппаратуры в реальных условиях или ее испытании на надежность. Анализ отказов позволяет установить причины их возникновения и внести соответствующие изменения в конструкцию паяного узла или технологический процесс пайки.
УДК 621.791.3
