СВЯЗУЮЩЕЕ ВЕЩЕСТВО ПАЯЛЬНОЙ ПАСТЫ
SOLDERING PASTE BINDER

Изобретение относится к пайке, в частности к составу пастообразной паяльной пасты для пайки и лужения при температурах до 350°С.
В настоящее время для низкотемпературной (НТ) пайки меди, никеля, серебра, золота и их сплавов на температурах 160-350°С известно использование бесканифольных органических флюсов, включающих как растворители - воду, спирты, углеводороды, так и активаторы - органические кислоты, солянокислые амины и соли [1, 2]. Однако при создании новой техники, особенно при разработке и изготовлении микроэлектронных приборов, оказалось проблематичным использование известных флюсов в силу большой коррозионной активности их и их остатков, дымообразования, осмоления и обугливания, а также трудности отмывки остатков после пайки. Кроме того, из-за внутреннего соотношения компонентов в составах таких флюсов, например, ВТС, ФГГл [1] или ФСлГлСп [2] невозможно их использование в качестве связующих веществ для паяльных паст для пайки при температурах 300-350°С.
Известна паста для НТ пайки, в которой связующее вещество содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: глицерин 62-75, щелочь 10-13, сорбит 15-25 [3 - прототип]. Связующее вещество, в котором щелочь используется в качестве активирующей добавки, обеспечивает пайку в интервале 120-260°С, но осмоляется и обугливается при повышении температуры пайки до 300°С. Это связано как с внешним активным воздействием кислорода воздуха, так и с внутренним окислением глицерина и сорбита щелочью при этих температурах. Скорость окисления, приводящая к осмолению и обугливанию связки, сравнима или превышает скорость сплавления порошка припоя в единую каплю необходимой формы и взаимодействия ее с паяемой поверхностью.
Техническим результатом изобретения является обеспечение пайки при температурах до 350°С за счет повышения термической стойкости связующего вещества к окислению и повышение качества паяных соединений, обеспечение полной отмывки остатков связующего вещества водой после пайки. Заявляемое связующее вещество можно хранить на воздухе в открытом виде неограниченное время с периодическим прогревом до 200°С с целью обезвоживания. Связующее вещество выполнено из доступных и дешевых компонентов, а также в нем отсутствуют токсичные и канцерогенные вещества.
Технический результат достигается тем, что связующее вещество паяльной пасты, содержащее глицерин, сорбит и активирующую добавку, в качестве активирующей добавки содержит соль, образованную щелочью и органической кислотой или слабой неорганической кислотой при следующем соотношении компонентов, мас.%:
глицерин
35-52
сорбит
35-57
активирующая добавка
3-27
В качестве активирующей добавки может быть использована соль уксусной кислоты - уксуснокислый натрий. Связующее вещество, которое содержит уксуснокислый натрий, имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
глицерин
36-40
сорбит
35-57;
уксуснокислый натрий
7-25
В качестве активирующей добавки может быть использована соль угольной кислоты - углекислый натрий. Связующее вещество, которое содержит углекислый натрий, имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
глицерин
42-47
сорбит
49-55
углекислый натрий
3-4
Процентное содержание компонентов связующего вещества обосновано следующим образом:
- при содержании в составе связующего вещества активной добавки в виде соли, образованной щелочью и органической кислотой, или соли, образованной щелочью и слабой неорганической кислотой, менее 3% практически теряется способность связующего вещества обеспечивать порошку припоя в паяльной пасте образовывать объемные капли заданной формы и смачивать паяемую поверхность;
- содержание в составе связующего вещества активной добавки в виде соли, образованной щелочью и органической кислотой, или соли, образованной щелочью и слабой неорганической кислотой, более 27% нецелесообразно, поскольку растворимость соли в глицерине и сорбите предельная.
- верхняя и нижняя границы содержания в связующем веществе глицерина и сорбита определяют его реологические свойства: вязкость, прилипаемость к паяемой поверхности, способность образовывать паяльную пасту путем смешивания с порошком припоя в холодном состоянии, расслоение и осаждение порошка припоя в пасте под действием гравитации и т.д.
Пример 1.
Паяльная паста состоит из порошка золото-оловянного припоя (Зл80Ол20) с размерами частиц порошка, не превышающими 20 мкм, и связывающего вещества, содержащего глицерин, сорбит и соль уксусной кислоты - уксуснокислый натрий.
Массовое соотношение порошка припоя к связующему веществу составляет 80% к 20%.
Связывающее вещество приготавливают следующим образом:
в емкость, содержащую трехатомный спирт - глицерин марки «Ч» (ГОСТ 3259-75) или «ЧДА» (ГОСТ 6959-75), вводят шестиатомный спирт - сорбит (ТУ 6-09-1588-77) и уксуснокислый натрий «ХЧ» (ГОСТ 199-76), нагревают смесь до температуры 200-250°С и выдерживают при этой температуре до полного растворения сорбита и соли в глицерине. После охлаждения раствора он готов к применению.
Поскольку в состав связывающего вещества входит гигроскопичный глицерин, то его необходимо периодически нагревать до 200°С с целью обезвоживания. Если связывающее вещество находится в открытом виде в контакте с окружающим воздухом, его нагревают один раз в 3-5 дней.
В таблице 1 представлены три (1, 2, 3) состава связующего вещества, приготовленные в пределах заявленных соотношений компонентов, и два (4, 5) состава, приготовленные за пределами соотношений компонентов.
Пример 2.
Паяльная паста состоит из порошка золото-оловянного припоя (Зл80Ол20) с размерами частиц порошка, не превышающими 20 мкм, и связывающего вещества, содержащего глицерин, сорбит и соль углекислой кислоты - углекислый натрий. (ГОСТ 15100-85). Массовое соотношение порошка припоя к связующему веществу составляет 80% к 20%.
Связывающее вещество приготавливают так же, как в примере 1.
В таблице 1 представлены два (6, 7) состава связующего вещества, приготовленные в пределах заявленных соотношений компонентов, и два (8, 9) состава, приготовленные за пределами соотношений компонентов.
Приготовленные пасты исследовали на предмет:
- получения равномерных по высоте, ширине и длине валиков припоя, соответствующих размерам нанесенных валиков пасты,
- получения паяных соединений между деталями,
- отмывки остатков связки водой после пайки и лужения.
Результаты представлены в таблице 2.
Лужение деталей из металла или керамики, имевших внешнее покрытие из золота толщиной 3-6 мкм, предлагаемыми паяльными пастами осуществляли по описанной ниже технологии:
- на деталь наносят паяльную пасту или наносят связывающее вещество и укладывают на него фольгу припоя Зл80Ол20. Паста и связующее вещество находятся в холодном состоянии.
- сушка пасты или связующего вещества при температуре 120-170°С в течение 3-5 минут.
- нагрев детали до 290-310°С и выдержка ее на плитке после расплавления припоя не более 5-15 секунд. Температура нагрева для лужения зависит от массы детали.
- охлаждение детали, отмывка ее последовательно в проточной горячей и холодной воде, сушка с помощью сжатого воздуха или в нагретой до 60-80°С термокамере.
Пайку двух деталей из металла или керамики, имеющих внешнее покрытие из золота толщиной 3-6 мкм, предлагаемыми паяльными пастами осуществляют следующим образом:
- на одну деталь наносят пасту и укладывают на пасту вторую припаиваемую деталь;
- на одну деталь наносят связующее вещество, укладывают фольгу припоя Зл80Ол20 и на нее укладывают офлюсованную вторую припаиваемую деталь,
- в случае необходимости, на детали устанавливают груз или фиксируют детали струбциной.
Дальнейшая последовательность технологии пайки соответствовала технологии лужения, отличаясь только температурой нагрева под пайку при 310-350°С. Повышение температуры при пайке вызвано необходимостью нагрева до температуры расплавления припоя увеличенного общего объема деталей, а также обычно применяемого при пайке перегрева на 30-50°С.
Кроме того, состав 3 связующего вещества из примера 1 (табл.1) исследовали при лужении деталей с покрытиями из меди и никеля. Состав 3 входил в припойную пасту и использовался как флюс при лужении фольгой припоя. Результаты приведены в таблице 3.
Анализ результатов показал, что заявленное связующее вещество паяльной пасты обеспечивает качественную пайку деталей с золотыми покрытиями золото-оловянными припоями на температурах до 340-350°С и полную отмывку остатков связующего вещества водой после пайки.
Достоинством заявляемого связующего вещества паяльной пасты является возможность хранения его на воздухе в открытом виде до перемешивания с порошком припоя неограниченное время, с периодическим прогревом до 200°С, с целью обезвоживания. Другими достоинствами связующего вещества являются простота приготовления, доступность и дешевизна компонентов, а также отсутствие токсичных и канцерогенных веществ в их составах.
Таблица 1
Пример
№ состава связующего
Составы связующего, мас.%
Глицерин
Сорбит
Уксуснокислый натрий
Углекислый натрий
1
1
36
57
7
2
36
54
10
3
35
40
25
4
37
58
5
5
25
45
30
2
6
42
55
3
7
47
49
4
8
43
56
1
9
45
49
6
Таблица 2
Номер состава связующего
Результаты лужения/пайки
1-3; 6-7
Монолитный валик припоя, сохраняющий форму и размеры нанесенного валика паяльной пасты. Равномерный непрерывный паяный шов. Отличная отмывка водой остатков связующего вещества после лужения и пайки.
4, 8
При лужении образуется цепочка не связанных друг с другом капелек припоя вместо монолитного валика припоя. Отличная отмывка водой остатков связующего вещества.
4, 8
При пайке деталей образуется прерывистый паяный шов. На отдельных участках шарики припоя выступают за границы паяного соединения. Отличная отмывка водой остатков связующего вещества.
5, 9
При лужении валики припоя растекаются и теряют форму. Остатки связующего вещества оставляют после лужения не отмываемые водой следы. Производится повторная отмывка остатков связующего вещества.
5, 9
При пайке деталей образуется прерывистый паяный шов с включениями не отмываемых остатков связующего вещества. Производится повторная отмывка остатков связующего вещества. Наблюдается растекание припоя за границы паяного соединения.
Таблица 3
Материал покрытия
Результаты лужения
паяльной пастой
фольгой припоя толщиной 20 мкм
Режим лужения
Медь, химический никель.
Монолитный валик припоя, сохраняющий форму и размеры нанесенного валика пасты.
Блестящая, одинаковая по высоте поверхность припоя. Сохранение размера и формы заготовки из фольги припоя.
Температура сушки: 170°С.
Температура лужения: 300°С.
Отличная отмывка остатков связующего вещества водой.
Отличная отмывка остатков связующего вещества водой.
Время лужения: 5-7 сек
Источники информации
1. Справочник по пайке под редакцией Лоуманова, стр.112.
2. Флюсы и припои для пайки ОСТ110469-87, стр.7.
3. Авторское свидетельство СССР №1808590, В23K 35/24.