Solder paste что это такое

12

Solder paste

Solder paste is a material used in the manufacture of printed circuit boards to connect surface mount components to the copper traces of the board. The paste initially adheres components in place by being sticky, it is then heated (along with the rest of the board) melting the paste and forming a mechanical connection as well as an electrical connection. The paste is applied to the board by silk screening and then the components are put in place by a pick-and-place machine.

Contents

Use [ edit ]

A majority of the defects in circuit-board assembly are caused due to issues in the solder-paste printing process or due to defects in the solder paste. There are many different types of defects possible, i.e. too much solder, or the solder melts and connects too many wires (bridging), resulting in a short circuit. Insufficient amounts of paste result in incomplete circuits. Head-in-pillow defects, or incomplete coalescence of ball grid array (BGA) sphere and solder paste deposit, is a failure mode that has seen increased frequency since the transition to lead-free soldering. Often missed during inspection, a head-in-pillow (HIP) defect appears like a small head resting on a pillow with a visible separation in the solder joint at the interface of the BGA sphere and paste deposit. [1] An electronics manufacturer needs experience with the printing process, specifically the paste characteristics, to avoid costly re-work on the assemblies. The paste’s physical characteristics, like viscosity and flux levels, need to be monitored periodically by performing in-house tests.

When making PCBs (printed circuit boards), manufacturers often test the solder paste deposits using SPI (solder paste inspection). SPI systems measure the volume of the solder pads before the components are applied and the solder melted. SPI systems can reduce the incidence of solder-related defects to statistically insignificant amounts. Inline systems are manufactured by Koh Young (Korea), CyberOptics (US), Parmi (Korea) and Test Research, Inc. (Taiwan). Offline systems are manufactured by VisionMaster, Inc. (US).

Composition [ edit ]

A solder paste is essentially powder metal solder suspended in a thick medium called flux. Flux is added to act as a temporary adhesive, holding the components until the soldering process melts the solder and makes a stronger physical connection. The paste is a gray, putty-like material. The composition of the solder paste varies, depending upon its intended use. For example, when soldering plastic component packages to a FR-4 glass epoxy circuit board, the solder compositions used are eutectic Sn-Pb (63 percent tin, 37 percent lead) or SAC alloys (tin/silver/copper, named for the elemental symbols Sn/Ag/Cu). If one needs high tensile and shear strength, tin-antimony (Sn/Sb) alloys might be used with such a board. Generally, solder pastes are made of a tin-lead alloy, with possibly a third metal alloyed, although environmental protection legislation is forcing a move to lead-free solder.

Solder paste is thixotropic, meaning that its viscosity changes over time with applied shear force (e.g., stirring). The thixotropic index is a measure of the viscosity of the solder paste at rest, compared to «worked» paste. Depending upon the formulation of the paste, it may be very important to stir the paste before it is used, to ensure that the viscosity is appropriate for proper application.

Classification [ edit ]

By size [ edit ]

The size and shape of the metal particles in the solder paste determines how well the paste will «print». A solder ball is spherical in shape; this helps in reducing surface oxidation and ensures good joint formation with the adjoining particles. Irregular particle sizes are not used, as they tend to clog the stencil, causing printing defects. To produce a quality solder joint, it’s very important for the spheres of metal to be very regular in size and have a low level of oxidation.

Solder pastes are classified based on the particle size by JEDEC [2] standard J-STD 005. [3] The table below shows the classification type of a paste compared with the mesh size and particle size. [4]

By flux [ edit ]

According to JEDEC standard J-STD-004 «Requirements for Soldering Fluxes», solder pastes are classified into three types based on the flux types:

Rosin based pastes are made of rosin, a natural extract from pine trees. These fluxes need to be cleaned after the soldering process using a solvent (potentially including chlorofluorocarbons). Rosin fluxes are no longer predominant. [5]

Water-soluble fluxes are made up of organic materials and glycol bases. There is a wide variety of cleaning agents for these fluxes.

A no-clean flux is made with resins and various levels of solid residues. No-clean pastes save not only cleaning costs, but also capital expenditures and floor space. However, these pastes need a very clean assembly environment and may need an inert re-flow environment.

Properties of solder paste [ edit ]

In using solder paste for circuit assemblies, one needs to test and understand the various rheological properties of a solder paste.

Viscosity The degree to which the material resists the tendency to flow. In this case, varying viscosities of solder paste are desired at different levels of shearing force. Such a material is called thixotropic. When solder paste is moved by the squeegee on the stencil, the physical stress applied to the paste causes the viscosity to break down, thinning the paste and helping it flow easily through the apertures on the stencil. When the stress on the paste is removed, it regains it shape, preventing it from flowing on the circuit board. The viscosity for a particular paste is available from the manufacturer’s catalog; in-house testing is sometimes needed to judge the remaining usability of solder paste after a period of use. Slump The characteristic of a material’s tendency to spread after application. Theoretically, the paste’s sidewalls are perfectly straight after the paste is deposited on the circuit board, and it will remain like that until the part placement. If the paste has a high slump value, it might deviate from the expected behavior, as now the paste’s sidewalls are not perfectly straight. A paste’s slump should be minimized, as slump creates the risk of forming solder bridges between two adjacent lands, creating a short circuit. Working life The amount of time solder paste can stay on a stencil without affecting its printing properties. The paste manufacturer provides this value.

Use [ edit ]

Solder paste is typically used in a screen-printing process, in which paste is deposited over a stainless steel or polyester mask to create the desired pattern on a printed circuit board. The paste may be dispensed pneumatically, by pin transfer (where a grid of pins is dipped in solder paste and then applied to the board), or by jet printing (where the paste is sprayed on the pads through nozzles, like an inkjet printer).

As well as forming the solder joint itself, the paste carrier/flux must have sufficient tackiness to hold the components while the assembly passes through the various manufacturing processes, perhaps moved around the factory.

Printing is followed by pre-heating and reflow (melting).

The paste manufacturer will suggest a suitable reflow temperature profile to suit their individual paste; however, one can expend too much energy on this. The main requirement is a gentle rise in temperature to prevent explosive expansion («solder balling»), yet activate the flux. Thereafter, the solder melts. The time in this area is known as Time Above Liquidus. A reasonably rapid cool-down period is required after this time.

A good tin/lead solder joint will be shiny and relatively concave. This will be less so with lead-free solders.

As with all fluxes used in electronics, residues left behind may be harmful to the circuit, and standards (e.g., J-std, JIS, IPC) exist to measure the safety of the residues left behind.

In most countries, «no-clean» solder pastes are the most common; in the United States, water-soluble pastes (which have compulsory cleaning requirements) are common.

Storage [ edit ]

Solder paste must be transported while refrigerated and stored in an airtight container at a temperature between 0-10°C. It should be warmed to room temperature for use.

Recently, new solder pastes have been introduced that remain stable at 26.5°C for one year and at 40°C for one month. [6]

Exposure of the solder particles, in their raw powder form, to air causes them to oxidize, so exposure should be minimized.

Solder Paste and Its Composition Varieties

Most processes for the manufacturing of printed circuit boards and SMT components make use of solder paste for the purposes of creating reliable joints between different surfaces and parts in a circuitry. The solder alloy is developed into a paste like consistency so as to allow it to be usable for stencil printing, through-hole manufacturing and pick-and-place circuit fabrication operations. Considering its importance in the electronics manufacturing industry and the plethora of benefits that it offers, it is essential that every engineer equips himself with knowledge about lead-free and lead solder paste and the variety of compositions that it is available in. This blog post will provide you with an overview of the topic.

Solder paste is essentially a metal solder alloy in powdered form that has been suspended in a thick, viscose medium known as flux. The type of metal alloy used here will depend on whether it is unleaded or lead solder paste.

Solder paste usually looks like a plastic gray putty-like material that can be applied to circuit board surfaces in the form of a paste that will hold its shape reasonably until heat is applied. The composition of solder paste is usually guided by the required properties and features for the PCB assembly process. For example, if your requirement is that of a solder alloy that exhibits high shear and tensile strength, pastes with tin and antimony based alloys are preferred. Composition of solder paste also varies on the basis of the size and shape of metal particles that are suspended in the flux medium, the paste’s eutectic and thixotropic properties, slump rate, viscosity and working life. One may also find composition varieties based on the type of flux medium used to manufacture the paste which may be rosin based, water soluble or no-clean type.

Зачем нужна паяльная паста

Паяльная паста — это смесь припоя и флюса. Широко применяется для пайки SMD и планарных микросхем.

Она отличается от обычного проволочного припоя своей пастообразной формой.

Паста мягкая, и содержит в себе свинцовые микрошарики.

Поэтому, ее не стоит наносить пальцами. Лучше пользоваться зубочистками или лопатками. А ватные палочки неэффективны из-за того, что много в себя впитывают.

Еще паста продается в шприцах. В таком виде с помощью поршня можно точечно дозировать количество припоя на плату. Используйте иглу большого диаметра.

После нанесение пасты обязательно закрывайте ее, независимо от времени. Иначе шарики застынут в засохшем флюсе, и она потеряет свои свойства.

Какую пасту купить

Самый популярный производитель — это Mechanic. Продается в шприцах и баночках. Температура плавления 180 °C. Хранится при температуре от 0 до +10°C.

Кстати, диаметр шариков бывает меньше 20 микрон. Поэтому домашнее изготовление пасты сильно уступает заводскому методу.

С каким флюсом использовать

Спирто-канифоль и паяльный жир не подходят. Они много дымят и плохо смачивают поверхность шариков, которые сформировались после пасты. Лучше используйте пастообразные флюсы.

Их бюджетных вариантов подойдет RMA 223 или его высококачественные клоны.

Не покупайте флюсы дешевле 4$. Они слабые, плохо выполняют свои функции, дымят и не соответствуют качеству для BGA пайки.

Отечественный флюс Interflux (интерфлюкс) IF 8300.

Из дорогих и проверенных можно попробовать Martin HT00.0017.

Применение

Применяется в основном для BGA, SMD, восстановления контактов и пайки разъемов.

Температура плавления зависит от производителя. Обычно это до 200 °C.

Восстанавливать контакты можно за счет тех самых микрошариков. Они создают обширную залуженную поверхность под воздействием температуры.

Оторванные и слегка поврежденные пяточки восстанавливаются пастой.

Пастой можно паять что угодно, вопрос в целесообразности. Например, пайка проводов будет неэкономичной по сравнению с обычным припоем.

Хранение

В темном месте и всегда закрытой. Она может высохнуть, и восстановить ее прежние свойства можно с помощь флюса. Но былого качества уже не будет.

Изготовление в домашних условиях

Можно сделать свою пасту дома. Она не будет такой же по качеству, как заводская. Зато удобно наносить.

Для чего нужны паяльные пасты и какими они бывают?

Спаивание больших и маленьких деталей с поверхностью рабочей печатной платы преимущественно выполняется посредством паяльной лампы и специальной пасты, при этом состав последней может сильно варьироваться. Она представляет собой сметанообразную вязкую смесь определенных химических веществ, обеспечивающих высокое качество пайки. В нашем обзоре пойдет речь о таких паяльных пастах.

Что это такое и для чего нужны?

Паста для пайки — это вязкая структура, которая имеет в своём составе припой, флюс, различные летучие растворители, а также специальные клейкие компоненты. В зависимости от химического состава флюса и припоя могут варьироваться температура плавления, техника работы, а также варианты отмывки печатной платы.

Известно, что пайка для соединения элементов допускается при использовании любых материалов, температура плавления которых на несколько уровней ниже, чем температура плавления этих самых деталей. Именно поэтому для простейших бытовых схем в домашних условиях чаще всего в ход идет припой вместе с флюсом либо кислотой. Паяльные пасты в своем составе содержат сразу 2 компонента, а также их всевозможные примеси, благодаря чему ход пайки многократно ускоряется. Помимо того, такие пасты нашли самое широкое применение при изготовлении электроприборов.

В качестве базовых материалов в качестве припоя подбирают сплавы со свинцом, а также оловом либо серебром, однако максимальное хождение получила бессвинцовая паяльная паста.

Флюс в структуре выполняет функции обезжиривателя. Помимо этого, для успешного выполнения работы потребуется клейкий связующий компонент – он существенно облегчает фиксацию SMD-элементов на рабочие платы. При этом чем больше габариты платы, тем более насыщенной будет элементарная плотность, и тем актуальнее применение пасты для выполнения пайки.

Пасты нашли повсеместное применение и в производстве. Они применяются для лужения кузова автомобиля, проведения поверхностного монтажа, ремонта проводов и пайки светодиодов.

Можно сказать, что паяльная паста стала выгодным и эффективным заменителем традиционных припоев, конечно, в том случае, если её марка и флюс, входящий в ее основу, были подобраны правильно.

К основным преимуществам материала относят удобство нанесения, а также чистоту печатной платы, которая достигается благодаря точно дозированному нанесению состава. Единственный минус таких паст — это недолгий срок годности, в среднем он не превышает полугода. После этого консистенция пасты начинает разделяется на фазы, и средство становится непригодным для эксплуатации.

Характеристики и требования

Качество любой пасты для пайки в первую очередь определяется данными контроля в соответствии с утвержденным международным стандартом J-STD-005. В его перечень входят следующие типы проверок:

• концентрация металла по доле;
• вязкость структуры, определяемая по способу Brookfield;
• тестирование на параметры растекания припоя;
• тестирование на формирование шариков припоя;
• тестирование на смачивание спаиваемых друг к другу деталей.

Обращаем внимание на то, что при изготовлении электронных и светодиодных изделий пасты лучше применять при помощи дозаторов либо трафаретов — их можно равномерно распределить по поверхности с определенной точностью. Благодаря этому достигается существенная экономия паяльных материалов.

Обзор видов

Паяльные пасты можно классифицировать по ряду признаков.

По флюсу

Существуют три основные разновидности флюсов в составе паст для выполнения пайки:

• водосмываемые;
• канифольные;
• безотмывочные.

Канифольная подгруппа флюсов традиционно представлена неактивированными, а также умеренно активированными и активированными композициями. Наименьшую активность проявляют те флюсы, которые не подвергались процедуре активации.

Наиболее востребованы флюсы со средним уровнем активности — они быстро и качественно очищают обрабатываемую поверхность, ровным слоем растекаются по ней и при этом смачивают соединяемые друг с другом детали. Однако такие составы нередко вызывают появление ржавчины. Поэтому после выполнения пайки всю рабочую зону необходимо мыть горячей водой или специализированными растворителями.

Флюсы, подвергающиеся основательному активированию, обычно используются для фиксации сильно окисленных элементов — в этом случае спирт нужно разбавить органическими растворами и отмыть этой смесью рабочую зону после пайки.

Водосмываемые флюсы обычно производят на базе органических кислот. Их отличает максимальная активность, они способствуют формированию качественного шва, но при этом требуют максимально тщательного отмывания — сделать это можно обычной горячей водой.

При выполнении работы с флюсами из натуральных и полимерных смол отмывания не требуется даже в том случае, если после выполнения пайки на поверхности деталей можно заметить остатки — это никак не повредит изделию, остаток не будет проводить ток, он отличается стойкостью к окислительным процессам. А если вы все же хотите его отмыть, для этого стоит воспользоваться растворителем.

По припою

Припойные компоненты для пайки обычно представлены эвтектическими сплавами из свинца и олова, удельный вес которого составляет порядка 62-63%, они могут выполняться с примесью серебра либо вовсе без него. В редких случаях припой представлен полностью бессвинцовыми сплавами из олова, удельный вес которого 95-96%. Как правило, в него добавляют серебро, которое, в свою очередь, может иметь добавки меди либо не иметь их.

По температуре

Технико-эксплуатационные параметры паяльной пасты основываются на её химическом составе, она и определяет такие базовые параметры, как пластичность, прочность, температура плавления и другие. Одним из оснований классификации паст считается уровень нагрева, при котором начинается плавление.

Плавка большей части паст, предназначенных для пайки плат и разъемов, идет при нагреве от 180 до 300 градусов — это низкотемпературная пайка. Кроме того, в промышленности выпускаются пасты, предназначенные для проведения высокотемпературной пайки — в этом случае уровень нагрева превышает порог 550-600 градусов и может достигать даже 1000-1100 градусов. В качестве базы такой пасты берут серебро, в неё может входить фосфор, а также германий, кремний или цинк.

Низкотемпературная паста обычно выполняется из свинца либо олова, дополнительно в неё вводят небольшое количество сурьмы, которая позволяет снизить температуру плавки до 90 градусов.

Как выбрать?

Паяльные пасты выпускаются в самом разном составе — это обуславливает различия в сфере использования таких составов и диктует определенные требования при выборе того или иного вещества. В основе выбора лежит тот металл, для спайки которого требуется паста.

Если вы планируете работать с никелем, то для подобных сплавов предпочтение лучше отдавать составам с содержанием хрома или никеля, легированных бериллием, кремнием или бором — такие сплавы относятся к категории твердых. Максимального эффекта можно достичь при пайке в условиях вакуума или в атмосфере аргона.

Медь — здесь актуальны медно-серебряные сплавы, которые для снижения температуры плавления могут дополнительно легироваться свинцом либо оловом.

При сплавлении алюминиевых компонентов необходимы припои на основе цинка и олова.

Золото и серебро, а также многие прочие сплавы, покрытые ими – здесь следует взять универсальную пасту из серебра с примесями цинка и меди.

Как пользоваться?

Для того чтобы добиться максимально надежного и долговечного соединения элементов на печатной плате, нужно выполнить некоторые действия. Они включают несколько основных этапов.

• Для начала нужно произвести очистку и полное обезжиривание платы с дальнейшим обязательным просушиванием.
• Затем плату фиксируют на горизонтальной поверхности и равномерно, строго дозировано наносят пасту в участке соединения.
• Далее нужно осторожно разместить небольшие и SMD-детали на поверхности платы. Чтобы пайка была максимально надежной — на ножки микросхем дополнительно наносят ещё одну порцию припоя.
• При выполнении нижнего подогрева печатной платы включают фен с горячим воздухом. Направляя его поток, прогревают всю верхнюю часть с закрепленными на ней деталями.
• Когда флюс полностью испарится, температуру фена надо увеличить до температуры плавления припоя.
• По окончании работы следует дождаться остывания, затем тщательно промыть печатную плату.

Обращаем особое внимание на то, что весь процесс пайки должен обязательно контролироваться визуально.

Чтобы закрепление элементов посредством паяльной пасты оказалось наиболее качественным и долговечным, крайне важно позаботиться о ряде факторов.

В первую очередь нужно подготовить саму плату, особенно в том случае, если она продолжительное время стояла без использования, или на ней заметны окислы.

Консистенция паяльной пасты должна быть эргономичной, то есть не густой, но и не жидкой. Оптимальный вариант — это сметанная структура, что будет равномерно смачивать поверхность. Имейте в виду, что способность к смачиванию играет ведущую роль в качестве и крепости паяного соединения элементов.

При пайке деталей микросхем электронную пасту нужно наносить тонким слоем. В случае если она будет нанесена более толстым слоем, места выводов микросхем могут замкнуться. При выпаивании простейших элементов такая тонкая работа не требуется.

Если габариты печатной платы будут большие, то лучше создать нижний подогрев при помощи утюга либо спецсредства, так чтобы их температура составляла 100-50 градусов и выше. Если этого не сделать заблаговременно, то не исключено коробление платы.

Все лишние остатки припоя с легкостью снимаются с поверхности самым простым паяльником при помощи насадок. К примеру, для того чтобы удалить остатки используемых при пайке компонентов между ножек микросхем, следует воспользоваться жалом «волна».

Хранение

Как показывает практика, подавляющее большинство изъянов, связанных с применением пасты для пайки, объясняется нарушением правил транспортировки, хранения и подготовки рабочего состава.

Всякая паяльная паста включает 2 основных ингредиента — металл и флюс, которые имеют различную плотность. Именно поэтому в отдельных составах незначительный объем флюса начинает выделяться и приподнимается над поверхностью самой пасты. В условиях чрезмерного нагрева выделение флюса многократно усиливается, и это резко ухудшает реологические характеристики состава – в результате паста растекается не так, как нужно. Это означает, что паяльную пасту следует защищать от повышенных температур и принудительно нагревать перед использованием.

Резко ухудшает качество любой пасты влага. Дело в том, что состав пасты для пайки отличается гигроскопичностью, то есть имеет свойство впитывать воду, даже из окружающей среды. При этом влага приводит к окислению шариков припоя ещё до оплавления либо же значительно повышает скорость его окисления в процессе оплавления. В условиях повышенной влажности флюс не до конца очищает спаиваемые поверхности и не обеспечивает необходимого уровня смачиваемости.

Кроме того, повышенная влажность и действие воды могут стать причиной таких дефектов пайки, как формирование перемычек, закипание флюса либо снижение времени клейкости пасты.

Не стоит замораживать состав, поскольку включенные во флюс активаторы начинают отделяться, и это самым негативным образом сказывается на технико-эксплуатационных параметрах изделия.

Пасту после длительного хранения нужно корректно подготовить к работе. Наносить её в холодном виде не рекомендуется — если открыть состав в тот момент, когда его температура будет ниже, чем температура конденсации того помещения, в котором проводятся работы, то на поверхности состава сразу же образуется конденсат. Он вызывает закипание и сильное разбрызгивание флюса, смещение деталей и многие технологические дефекты. Чтобы избежать этих неприятных проблем, пасту перед нанесением нужно нагреть. Однако делать это нужно естественным путем без использования нагревательного прибора — обычно на это уходит 4-6 часов. До тех пор, пока паста в полном объеме не прогреется до уровня комнатной температуры, не стоит снимать герметичную крышку, открывать и перемешивать состав. Если вы сделаете это, то паста будет однородной и в принципе пригодной к применению.

Но это вовсе не будет означать, что пасту не надо нагревать, поэтому такой способ нельзя отнести к корректному методу подготовки состава к употреблению.

После того как паста прогреется до оптимального уровня температуры, следует быстро и очень осторожно перемешать её лопаткой. Делать это нужно строго в одном направлении на протяжении пары-тройки минут, таким образом можно добиться равномерного перемешивания всех составных компонентов. Не стоит мешать её чересчур интенсивно или делать это дольше указанного времени — в противном случае такие действия повлекут понижение вязкости состава для пайки и, как следствие, к ее сползанию.