Дефекты пайки коаксиальных радиочастотных компонентов в корпуса изделий и способы их устранения

№ 1’2016
PDF версия
Параметры изделий микроэлектроники СВЧ в большой степени зависят от характеристик применяемых коаксиальных радиочастотных компонентов (далее — компонентов): соединителей, высокочастотных и низкочастотных вводов, фильтров помех и способа их установки в корпуса изделий [1].

Наиболее широко применяемый способ установки компонентов — низкотемпературная пайка: флюсовая (с применением паяльных паст) и бесфлюсовая (готовым припоем, в восстановительной среде — водороде, формиргазе). Пайка является сложным технологическим процессом, который обеспечивает не только надежное и прочное соединение компонентов, но в значительной степени и параметры самих изделий.

Дефектам паяных соединений и способам их устранения посвящена данная статья.

 

Общие замечания о дефектах паяных соединений

Качество паяных соединений определяется их прочностью, герметичностью, надежностью, коррозионной стойкостью, работоспособностью в условиях механических, климатических и специальных воздействий [2, 3–5]. Обеспечение этих характеристик достигается оптимальным решением процесса пайки соединений без дефектов. Дефекты паяных соединений можно разделить на две группы: связанные с заполнением расплавом припоя зазора между соединяемыми деталями и возникающие в процессе охлаждения после достижения температуры пайки.

Дефекты первой группы обусловлены особенностями заполнения припоем капиллярных зазоров.

Дефекты второй группы возникают из-за уменьшения растворимости газов при переходе припоя из жидкого в твердое состояние, а также вследствие усадки припоя при охлаждении. К ним относятся пористость кристаллизационного и диффузионного происхождения, трещины в спае, включения флюса [2].

В производстве отечественных изделий для пайки коаксиальных радиочастотных компонентов обычно применяют эвтектический оловянно-свинцовый припой ПОС‑61 с температурой плавления +183 °С. За рубежом используют также бессвинцовые припои состава олово‑медь-серебро (SAC) с температурой плавления +217 °С.

Широко распространены припойные пасты, содержащие флюсы. Флюсы предназначены для удаления адсорбированного кислорода и оксидной пленки с поверхностей паяемого металла и припоя, а также для изменения поверхностного натяжения жидкого припоя. Активность флюса (способность флюсовать) зависит от его состава и температуры, так как при нагреве состав флюса изменяется вследствие процессов испарения, разложения и химического взаимодействия его компонентов [2].

 

Дефекты паяных соединений

Для наглядности дефекты паяных соединений рассмотрим на примере соединений высокочастотных вводов с корпусами изделий микроэлектроники (рис. 1) [3].

Примеры корпусов с впаянными высокочастотными вводами

Рис. 1. Примеры корпусов с впаянными высокочастотными вводами

Наплывы и натеки припоя

Проявление дефекта

Припой вытекает из паяного шва на поверхность корпуса изделия и растворяет покрытие корпуса (рис. 2).

Наплывы и натеки припоя

Рис. 2. Наплывы и натеки припоя

Ухудшаются внешний вид изделия и надежность контактирования с ответным соединителем в составных коаксиально-микрополосковых переходах [1].

Причины появления дефекта

Наиболее распространенными причинами являются завышенные температура и время пайки и неравномерное распределение температуры в области пайки. Другая причина — несоответствие между количеством припоя и геометрией отверстия в корпусе, в которое монтируют компонент.

Решение проблемы

Пайку необходимо производить в печах с контролируемой атмосферой, с автоматическим управлением температурно-временным режимом. Должен осуществляться тщательный контроль температуры и профиля ее распределения в печи пайки. Необходим инженерный расчет геометрии области пайки, а также размеров и количества используемого припоя.

Разбрызгивание припоя

Проявление дефекта

Брызги припоя в виде шариков на поверхности корпуса изделия (рис. 3).

Разбрызгивание припоя

Рис. 3. Разбрызгивание припоя

Причины появления дефекта

Наиболее часто этот дефект имеет место при применении припойных паст.

Существуют несколько причин разбрызгивания припоя: избыточное количество пасты, завышенная скорость нагрева и неравномерное распределение температуры в области пайки в момент течения расплавленного припоя, неоптимальное сочетание припоя и флюса, несовместимость покрытий корпуса и компонента. К этому дефекту может приводить также недостаточная очистка корпуса и припоя перед пайкой.

Решение проблемы

Для того чтобы предотвратить выплески и разбрызгивание припоя, нужно уменьшить количество наносимой пасты припоя и обеспечить равномерный нагрев паяемого узла до температуры пайки. Необходимо подобрать оптимальное сочетание припоя и флюса. Важна также тщательная очистка корпуса и припоя для удаления остаточных загрязнений.

Кристаллизация припоя в паяном шве

Проявление дефекта

Кристаллизация припоя проявляется в виде микротрещин в припое и его шероховатости. При эксплуатации и длительном хранении возможно значительное ухудшение прочности и герметичности соединения (рис. 4).

Кристаллизация припоя в паяном шве

Рис. 4. Кристаллизация припоя в паяном шве

Причины появления дефекта

Одной из причин является слишком большая разность коэффициентов линейного термического расширения металлов корпуса, компонента и припоя. Если в процессе кристаллизации скорость охлаждения высока, а деформационная способность припоя мала, то возможно образование кристаллизационных трещин. Кроме того, трещины могут возникнуть в случае образования в паяном шве прослойки хрупких интерметаллидов. Золото, широко применяемое в составе покрытия компонентов, очень хорошо растворяется в припоях, содержащих олово, с образованием интерметаллидов различного состава.

Кристаллизация припоя происходит также в результате неправильного выбора флюса и его избыточного содержания в припойной пасте или вследствие плохой очистки корпуса перед пайкой. Кристаллизация может произойти из-за температурных градиентов во время пайки, слишком высокой температуры и большой продолжительности пайки.

Решение проблемы

Для того чтобы избежать кристаллизации, необходимы выбор соответствующего флюса, тщательная очистка корпуса изделия и припоя перед пайкой, равномерный нагрев паяемого узла. Оптимальный температурно-временной режим (минимально возможные температура пайки и скорость охлаждения) и качественное покрытие корпуса изделия — ключевое условие при создании надежного паяного соединения.

Непропай

Проявление дефекта

Непропай проявляется в частичном или неполном заполнении зазоров припоем и свидетельствует о ненадежности паяного соединения и его невысокой усталостной прочности (рис. 5).

Непропай

Рис. 5. Непропай

Причины появления дефекта

Причинами образования непропаев, берущих начало у границы раздела с паяемым металлом, являются неправильная конструкция соединения (наличие «глухих» полостей, слишком большой или слишком маленький зазор между корпусом изделия и компонентом), блокирование жидким припоем газа в случае неравномерного нагрева или неравномерного капиллярного зазора, отсутствие смачивания жидким припоем паяемых поверхностей. Причинами могут стать и недостаточное исходное количество припоя, низкая активность флюса и неоптимальный температурно-временной режим пайки.

Решение проблемы

Необходимо правильно рассчитать конструкцию области установки компонента в корпусе изделия и нужный объем припоя, выбрать подходящий флюс. Важно также подобрать температурно-временной режим пайки, обеспечивающий равномерное удаление связки, входящей во флюс.

Плохое смачивание или его отсутствие

Проявление дефекта

Припой не смачивает паяемые поверхности и отходит от них, что является показателем низкого качества пайки (рис. 6).

Плохое смачивание или его отсутствие

Рис. 6. Плохое смачивание или его отсутствие

Причины появления дефекта

Главными причинами плохого смачивания являются плохое качество покрытия или его отсутствие, наличие окисной пленки и загрязнений на корпусе изделия, шероховатость поверхности корпуса в области пайки, недостаточные температура и время пайки, недостаточное содержание и низкая активность флюса, большая разность температур плавления припоя и флюса.

Решение проблемы

Для улучшения смачиваемости необходимо контролировать качество покрытия и механической обработки корпуса изделия, тщательно очищать корпус и припой для удаления окислов и загрязнений, применять более активный флюс и подобрать оптимальный температурно-временной режим пайки.

Пористость паяного шва

Проявление дефекта

Этот дефект, возможно, один из самых неприятных, так как его сложно обнаружить при визуальном осмотре. Скрытые пустоты становятся причиной снижения прочности и ухудшения герметичности спая при длительной эксплуатации (рис. 7).

Пористость паяного шва

Рис. 7. Пористость паяного шва

Причины появления дефекта

Причинами пористости паяного шва являются плохое качество очистки паяемых поверхностей, завышенные температура и время пайки, испарение компонентов флюса, недостаточное содержание припоя в припойной пасте, отсутствие покрытия или его низкое качество. Причиной блокирования остатков газа в паяном шве может быть также неравномерность движения жидкого припоя в зазоре, при котором отсекаются малые объемы газа. В процессе охлаждения из-за уменьшения растворимости газов происходит их выделение с образованием рассеянной газовой пористости.

Решение проблемы

Необходимо оптимизировать процесс пайки: производить пайку в контролируемой среде при минимально возможных температуре и времени выдержки и улучшить качество очистки корпуса изделия и припоя. Применение металлографического и рентгеновского контроля для обнаружения пустот в спае, проведение механических и климатических испытаний способствуют решению проблемы пористости паяного соединения.

Попадание припоя и флюса в воздушную коаксиальную линию

Проявление дефекта

Этот дефект проявляется в виде остатков припоя и флюса в воздушной коаксиальной линии и вызывает изменение ее волнового сопротивления, а следовательно, ухудшение параметров согласования (рис. 8).

Попадание припоя и флюса в воздушную коаксиальную линию

Рис. 8. Попадание припоя и флюса в воздушную коаксиальную линию

Причины появления дефекта

Примененный флюс имеет температуру плавления и удельный вес больше, чем припой. Избыточное количество припоя и флюса. Завышенные температура и время пайки.

Решение проблемы

Уменьшение объема припоя, снижение температуры и времени пайки, выбор оптимальной пасты припоя, применение оправки, плотно вставляемой в это отверстие.

Некачественное состояние поверхности изделия после пайки компонента

Проявление дефекта

Пузыри, пустоты или отслоение покрытия корпуса, наличие углеродных остатков (рис. 9).

Некачественное состояние поверхности изделия после пайки компонента

Рис. 9. Некачественное состояние поверхности изделия после пайки компонента

Причины появления дефекта

Плохая адгезия покрытия чаще всего обусловлена наличием загрязнений на металлической поверхности вследствие плохой очистки перед покрытием или длительного хранения. Другой причиной может быть несоответствие состава покрытия и металла.

Решение проблемы

Использование проверенного сочетания покрываемого металла и состава покрытия. Тщательная химическая, а в ряде случаев и термическая очистка поверхности металла корпуса перед пайкой. Проведение после нанесения покрытия отжига в защитной среде при температуре +200 °C в течение 1 ч для контроля вспучивания и отслоения покрытия и улучшения его адгезии с металлической поверхностью корпуса.

Несоосное расположение компонента

Проявление дефекта

Радиальное смещение осей компонента и изделия, видимое при внешнем осмотре, снижает прочность соединения и не позволяет контактировать с ответным соединителем в составных коаксиально-микрополосковых переходах (рис. 10).

Несоосное расположение компонента

Рис. 10. Несоосное расположение компонента

Причины появления дефекта

Причинами являются несогласованность размеров компонента и корпуса изделия, в который он монтируется, а также низкое качество обработки этой области. Не менее важная причина — неправильно сконструированное или изношенное приспособление для пайки.

Решение проблемы

Использовать оснастку и приспособления, обеспечивающие в процессе пайки надежную фиксацию компонента в корпусе изделия, и контролировать степень их износа. Необходим также тщательный контроль размеров и качества обработки корпуса в области установки компонента.

Осевое смещение компонента

Проявление дефекта

При внешнем осмотре осевое смещение вывода компонента относительно отверстия в корпусе изделия не всегда можно увидеть. Этот дефект может ухудшать электрические характеристики (прежде всего КСВн) изделия (рис. 11).

Осевое смещение компонента

Рис. 11. Осевое смещение компонента

Причины появления дефекта

Основная причина — неправильная геометрия области установки компонента в корпусе изделия.

Решение проблемы

Обеспечить оптимальные конструкцию и точность изготовления области установки компонента в корпусе изделия.

Другие дефекты пайки

В процессе пайки компонентов, герметизированных металлостеклянным спаем, возможно образование трещин в стеклянном изоляторе. Трещины имеют вид одного или нескольких «усиков», начинающихся от центрального проводника компонента. Причиной трещин в стекле является изгибающее усилие на центральный проводник при неаккуратной сборке под пайку, а также плохо отцентрированная оправка для сборки и пайки. Кроме того, трещины в стекле могут возникнуть при попадании на него расплавленного припоя и прикосновении к стеклу жала нагретого паяльника при ручной пайке.

При недостаточно тщательной подготовке поверхностей под пайку в паяном шве могут образовываться флюсовые или шлаковые включения.

 

Заключение

Правильная конструкция паяного соединения (отсутствие замкнутых полостей, равномерность зазора), точность сборки под пайку, дозированное количество припоя и флюса, равномерность нагрева и автоматическое регулирование температурно-временного режима являются условием получения без-дефектных паяных соединений коаксиальных радиочастотных компонентов с корпусами изделий микроэлектроники.

Литература
  1. Джуринский К. Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры. СПб, изд-во «Медиа Группа Файнстрит», 2014.
  2. Справочник по пайке. Под ред. И. Е. Пет-рунина. 3‑е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2003.
  3. A guide to creating high performance RF packages. Компания Thunderline-Z, fusite.com
  4. Калинченко Н. П., Викторова М. О. Атлас дефектов паяных соединений. Изд-во Томского политехнического университета, 2012.
  5. Медведев А. Сборка и монтаж электронных устройств. М.: Техносфера, 2007.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *