Способ очистки перед пайкой припоя, выполненного в виде фольги или ленты
METHOD FOR CLEANING OF SOLDER MADE AS FOIL OR TAPE BEFORE SOLDERING

Изобретение относится к очистке припоя перед пайкой от технологических загрязнений в водно-щелочных растворах с наложением ультразвука, в частности к подготовке поверхности фольг, лент эвтектических золотосодержащих припоев после прокатки перед низкотемпературной (НТ) бесфлюсовой пайкой и может быть использовано при сборке изделий РЭА и СВЧ-техники, более конкретно - пайка кристаллов полупроводниковых компонентов.
Технологический процесс НТ-пайки состоит из ряда операций, одной из которых является очистка поверхности как паяемых деталей, так и используемых припоев. Для обеспечения физического контакта паяемых деталей с жидким припоем необходимо предварительно удалить органические и неметаллические загрязнения (масло, жиры, окалину), образовавшиеся в процессе химико-термической обработки (в нашем случае образовавшиеся после прокатки лент, фольг до заданного сортамента), и которые не удаляются во время бесфлюсовой НТ-пайки.
Простое обезжиривание фольг, лент эвтектических припоев после прокатки в органических растворителях не дает желаемых результатов - в процессе пайки образуется некачественное паяное соединение.
Известны способы химического обезжиривания поверхности паяемых деталей перед пайкой и составы растворов [Хряпин В.Е., Лакедемонский А.В. Справочник паяльщика. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1974, стр. 159-160], в которых для повышения смачивающей способности воды в нее добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ), например, ОП-7, а для омыления жировых загрязнений - щелочи (NaOH, KОН), тринатрийфосфат и др. Общими недостатками этих способов химического обезжиривания поверхности являются:
во-первых, они предназначены для обезжиривания стальных, медных, алюминиевых, магниевых сплавов;
во-вторых, сложный состав ванн для химического обезжиривания приводит к трудностям при их корректировке в процессе испарения и травления поверхности.
Известен способ ультразвуковой очистки металлических деталей [Патент РФ №2275257 МПК В08В 3/12] путем промывки их в 5 ваннах ультразвукового комплекса (УЗК): в первой ванне в обезжиривающем водном растворе, содержащем моющее средство МС-15 или МС-37 концентрацией 20-25 г/л, температурой раствора 60-70°С; во второй ванне с наложением ультразвука техническим моющим средством (ТМС) «Гремлос В» концентрацией 20-30 г/л, температурой 45-55°С; в третьей ванне с наложением ультразвука горячей проточной водопроводной водой температурой 45-55°С; в четвертой ванне - холодной проточной водопроводной водой и в пятой ванне - холодной проточной дистиллированной водой с последующей сушкой горячим воздухом.
В результате УЗ-химического обезжиривания в пяти ваннах УЗК остатки закатанной во время горячей прокатки смазочной жидкости лишь начинают разрыхляться, остаются на поверхности, и их после очистки приходится счищать с поверхности лент и фольг техническим лезвием. При этом частично счищается (соскабливается) верхний слой припоя, содержащий золото.
Пробная очистка поверхности фольги припоя AuSi в ванне УЗК с моющим средством МС-15 или МС-37 показала, что температуры раствора в первой и второй ванне явно недостаточно и щелочная среда, которая образуется в результате гидролиза солей триполифосфата натрия, метасиликата натрия, карбоната натрия (МС-15) или метасиликата натрия и кальцинированной соды (МС-37) при данной концентрации не растворяет приповерхностный слой органических загрязнений. Последующая очистка поверхности фольги припоя AuSi во второй ванне с техническим моющим средством «Гремлос В», в состав которого входят смесь аминоспиртов, анионноактивных и неионогенных ПАВ типа синтанола АЛМ-10, неонола АФ 9-12, также показала свою неэффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является полное удаление закатанных после горячей прокатки остатков смазочных жидкостей с поверхности золотосодержащих НТ-эвтектических припоев, и, как следствие, повышение качества бесфлюсовой пайки кристаллов полупроводниковых компонентов.
2
3
Технический результат достигается тем, что очистка перед пайкой припоя, выполненного в виде фольги или ленты, включает обезжиривание в первой ванне ультразвукового комплекса в водном растворе, содержащем моющее средство, очистку с наложением ультразвука во второй и третьей ванне, очистку водой в четвертой ванне и очистку в пятой ванне с наложением ультразвука с последующей сушкой горячим воздухом, при этом в первой ванне обезжиривание проводят при температуре 180-200°С в течение 5-7 мин; моющим средством, содержащим, масс. %: щелочь KОН или NaOH 15-25; глицерин 50-60; воду - остальное; во второй ванне очистку производят при температуре 50-60°С в течение 3-5 мин деионизованной водой, в третьей ванне - при температуре 60-70°С в течение 20-30 мин моющим средством, содержащим, масс. %: щелочь KОН или NaOH 3-4, соду NaCO 3-3,5, ПАВ-синтанол 0,25-0,35, воду - остальное, при температуре 60-70°С в течение 20-30 мин, в четвертой ванне очистку проводят деионизованной водой при температуре 60-70°С в течение 2-3 мин; а в пятой ванне очистку проводят в ацетоне при комнатной температуре в течение 2-3 мин с наложением ультразвука.
Использование в водно-щелочном растворе повышенной концентрации щелочи и глицерина позволяет повысить температуру раствора до 180-200°С. При температуре 180-200°С за счет активного кипения раствора образуется кавитационный эффект, который способствует разрыхлению поверхностного слоя при очистке, который образуется при термической обработке во время прокатки.
Сода и ПАВ способствуют переводу оставшихся частиц в раствор - гидрофобная часть молекулы ПАВ захватывает оставшиеся частицы масел, происходит процесс эмульгирования, поверхность становится чистой и приобретает золотистый цвет.
После очистки поверхности в ацетоне и сушки на воздухе фольга припоя становится блестящей, без подтеков и цветов побежалости.
Пример
Очистку фольги припоя Au-Si проводили в 5 ваннах ультразвукового комплекса. Фольга выполнена в виде квадратов размером 50×50 мм и толщиной 30 мкм.
Составы растворов и режимы химического обезжиривания фольги припоя Au-Si приведены в таблице 1.
Квадраты фольги Au-Si помещали в первую ванну с нагретым до температуры 190°С раствором состава в масс. %: KОН 20, глицерин 55, вода 25. Очистку квадратов фольги Au-Si проводили в течение 6 мин.
Квадраты фольги извлекали из первой ванны и помещали во вторую, где очищали с наложением ультразвука (частота 40 кГц) в деионизованной воде при температуре 55°С в течение 4 мин.
2
3
Квадраты фольги помещали в третью ванну с нагретым до температуры 65°С раствором состава в масс. %: KОН 3,5, соду NaCO 3,25, синтанол ДС-10 0,3, вода - остальное. Очистку проводили с наложением ультразвука (частота 40 кГц) в течение 25 мин.
Квадраты фольги извлекали из третьей ванны и помещали в четвертую, где очищали в деионизованной воде при температуре 65°С в течение 2,5 мин.
Квадраты фольги помещали в пятую ванну с ацетоном с наложением ультразвука (частота 40 кГц) и проводили финишную очистку при комнатной температуре в течение 2,5 мин. Затем фольгу сушили горячим (100°С) воздухом.
Фольга припоя стала блестящей, без подтеков и цветов побежалости.
Для ванны 1 и ванны 3 были приготовлены 3 раствора в соответствии с таблицей 1. Первый состав с нижним пределом, второй со средним пределом и третий с верхним пределом концентрации компонентов в соответствии с формулой изобретения.
Концентрация компонентов растворов вне пределов, заявленных в формуле, приводит к следующим результатам:
в ванне 1-а) состав с концентрацией, меньшей, чем в первом: разрыхление приповерхностного слоя только начинается, поверхность фольги становится матовой;
б) состав с концентрацией, большей, чем в третьем:
разрыхление приповерхностного слоя полное, но из-за сильного кипения раствора наблюдается повышенное пенообразование, выходящее за пределы ванны.
В ванне 3-а) состав с концентрацией, меньшей, чем в первом: неполное обезжиривание, поверхность фольги светло-серая, полублестящая;
б) состав с концентрацией, большей, чем в третьем:
при увеличении концентрации ДС-10 (>>0,35 масс. %) наблюдается повышенное мицеллообразование (помутнение раствора), что снижает действие ПАВ [А.П. Бобров, С.В. Цаплин, П.П. Пурыгин. Разработка и исследование процесса очистки металлических деталей от смазочных материалов растворами ПАВ. Вестник Сам ГУ - Естественнонаучная серия, 2007. №2 (52)].
Растворы приготавливали следующим образом.
Для ванны I.
В ванночку из нержавеющей стали наливали глицерин марки ЧДА (ГОСТ6259 - 75), насыпали твердую щелочь KОН (ГОСТ 24363 - 80), доливали деионизованную воду, соблюдая пропорции, указанные в таблице. Смесь нагревали до 180-200°С и выдерживали до получения однородного состава. Ванночку помещали в первую ванну.
Для ванны III.
2
3
В ванночку из нержавеющей стали наливали деионизованную воду (см. табл. 1), затем растворяли щелочь KОН и соду кальцинированную NaCO, далее раствор подогревали до температуры 50°С и добавляли пасту белого цвета - синтанол ДС-10 (ТУ 6-14-577-88), помешивая стеклянной палочкой до полного ее растворения.
Таким образом, очистка припоя в ваннах УЗК с повышенной концентрацией щелочной среды и повышенной температурой растворов обеспечивает полное удаление органических загрязнений с поверхности лент, фольг после прокатки эвтектических НТ-припоев и, как следствие, повышает качество бесфлюсовой пайки кристаллов полупроводниковых компонентов.
Очищенной фольгой припоя Au-Si была проведена пайка кристаллов кремниевых транзисторов, был получен 100%-ый припой по всему периметру паяного шва.
Кроме того, достоинствами предлагаемого способа очистки являются простота приготовления растворов, доступность и дешевизна компонентов отечественного производства, отсутствие токсичных веществ в их составе, а также повышение пожаробезопасности (температура вспышки синтанола марки АЛМ-10 и ДС-10 220°С и 247°С) и экологичности процесса очистки (биологическая разлагаемость синтанола ДС-10 около 80%).