Припой — коммерческий класс

£17,95

Посмотреть

Получите максимум от своего браузера — обновите браузер до последней версии

В старых браузерах скорость может быть снижена. Обновите браузер до последней версии сейчас

Патент США на состав флюса для пайки. Патент (Патент № 4,092,182, выдан 30 мая 1978 г.)

Настоящее изобретение относится к мягкой пайке и связано с новым составом вещества для использования в мягкой пайке, в частности, но не исключительно, в электротехнической и электронной промышленности.

Пайка мягким припоем, т. е. сплавом на основе олова и свинца, плавящимся при температуре ниже примерно 400°С. C., широко используется в электротехнической и электронной промышленности, например, при сборке печатных плат, электронных компонентов и проводников. Чтобы получить удовлетворительное паяное соединение, необходимо использовать флюс с мягким припоем, чтобы удалить любые остаточные поверхностные оксидные пленки и, следовательно, обеспечить чистую поверхность, а также для того, чтобы уменьшить поверхностное натяжение расплавленного припоя и, следовательно, способствовать хорошее смачивание поверхности припоем. Флюсы для мягкой пайки можно разделить на коррозионно-промежуточные и неагрессивные. В электронной промышленности обычно важно использовать неагрессивный флюс, т. е. флюс, который после использования в операции пайки дает практически инертный остаток и, следовательно, не вызывает заметной коррозии паяного соединения, особенно во влажных условиях. Неагрессивные флюсы обычно представляют собой флюсы на основе натуральной канифоли, включающие древесную канифоль или канифоль. Канифоль (также известная как канифоль) в основном состоит из смеси смоляных кислот, основным компонентом которой является абиетиновая кислота. Канифольный флюс может содержать небольшое количество добавки, обычно известной как активатор, который улучшит флюсующее действие канифоли. Такие канифольные флюсы могут быть введены в качестве сердечника или сердечников в проволочные припои или могут использоваться в форме растворов или паст.

Недостаток, с которым столкнулись при использовании канифольных флюсов для мягкой пайки, особенно в электронной промышленности, где необходимо паять множество соединений в быстрой последовательности, заключается в том, что при нагревании канифольного флюса могут выделяться неприятные пары.

Мы обнаружили, что композиция, содержащая сложный эфир многоатомного спирта, особенно эфиры с более высокой молекулярной массой, может использоваться в качестве флюса для мягкой пайки и что такие композиции на основе сложных эфиров имеют более низкую степень дымления, чем обычная канифоль. на основе флюсов при использовании в аналогичных условиях. Эти композиции на основе сложных эфиров могут иметь и другие технические преимущества по сравнению с обычными флюсами на основе канифоли, такие как образование прозрачных остатков, облегчающих осмотр паяных соединений, образование гибких остатков, улучшающих вибростойкость паяных соединений, а также обладающих высокой температурой. сопротивление. Они также могут быть менее кислотными, чем канифоль, и, следовательно, с меньшей вероятностью вызывать коррозию паяных соединений.

Таким образом, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается композиция, подходящая для использования в качестве флюса при пайке мягким припоем, содержащая в качестве основного компонента (1) по меньшей мере один сложный эфир многоатомного спирта. Простейший из таких сложных эфиров имеет молекулярную массу около 90.

Композиция также будет содержать в качестве основного компонента (2) по крайней мере один дополнительный компонент, выбранный из:

(a) органических кислот, которые практически растворимы в указанном сложном эфире многоатомного спирта в расплавленном состоянии;

(b) активаторы флюса; и

(c) отвердители остатков флюса.

Сложный эфир многоатомного спирта должен присутствовать в композиции в количестве не менее 25% по массе в расчете на общую массу компонентов (1) и (2).

Сложный эфир, который предпочтительно имеет молекулярную массу не менее 300, а преимущественно в диапазоне от 300 до 3000 и является твердым при комнатной температуре, может быть получен в результате реакции многоатомного спирта, например, диэтиленгликоля, неопентила гликоль, глицерин, триэтиленгликоль, дипропиленгликоль, триметилолэтан, триметилолпропан, пентаэритрит, дипентаэритрит, сорбит, маннит, инозитол или сахарозу с органической моно- или поликарбоновой кислотой. Подходящие кислоты могут быть выбраны из насыщенных кислот, например уксусной кислоты, или жирных кислот, таких как стеариновая кислота, из ненасыщенных жирных кислот, например олеиновой кислоты, или из ароматических или циклических карбоновых кислот, например бензойной кислоты, абиетиновой кислоты или модифицированных кислот. абиетиновые кислоты. Было обнаружено, что особенно подходящими являются сложные эфиры, полученные из многоатомных спиртов, содержащих от 2 до 8, предпочтительно от 3 до 6, гидроксильных групп, например тетраацетат пентаэритрита, тетрастеарат пентаэритрита, тетраолеат пентаэритрита, тетрабензоат пентаэритрита, гексаацетат маннита, триэтиленгликоль. дибензоат, глицерилтрибензоат, неопентилгликольдибензоат, триметилолетантрибензоат и октаацетат сахарозы.

Органическая кислота (а), которая может быть включена в композицию флюса в качестве вспомогательного флюса для придания достаточной кислотности, позволяющей сложному эфиру функционировать в качестве флюса, может представлять собой алифатическую или ароматическую моно- или поликарбоновую кислоту, например стеариновую кислоту , адипиновая кислота, себациновая кислота, линолевая кислота, бензойная кислота или салициловая кислота. Количество органической кислоты, присутствующей в композиции флюса, будет, по крайней мере, достаточным для того, чтобы сложный эфир мог действовать как флюс, и обычно это количество должно быть таким, чтобы придать сложному эфиру флюсующую способность, эквивалентную канифоли. Количество присутствующей органической кислоты обычно не превышает 20 мас.% от общей массы композиции.

Композиция флюса может содержать активатор флюса (b) для улучшения флюсующей активности (т. е. скорости флюсования) сложного эфира. Такие активирующие агенты могут быть выбраны из органических кислот, таких как упомянутые выше, сульфокислот, например, динонилнафталинсульфокислоты, алифатических и ароматических аминов и их гидрогалогенидов, например, глицина, октадециламина, никотиновой кислоты, гидрохлорида циклогексиламина, 2-хлорэтиламин. -гидрохлорид морфолина, гидрохлорид диэтиламина, гидробромид триэтиламина и гидрохлорид анилина. Количество активирующего агента, присутствующего в композиции флюса, обычно не должно превышать 20% по массе от общей массы композиции.

Поскольку сложные эфиры многоатомных спиртов, как правило, воскоподобны или мягки, или им требуется некоторое время для затвердевания до смолистого состояния после нагревания до температуры пайки и охлаждения, при необходимости в состав флюса могут быть включены отвердитель остатков флюса (с), который сам по себе может быть сложным эфиром, например, бензоатом сахарозы, или производным абиетиновой кислоты, таким как полимеризованная канифоль, или сложным эфиром модифицированной абиетиновой кислоты, например, пентаэритритным эфиром малеиновой канифоли. Такие отвердители остатков флюса должны иметь повышенную температуру плавления, т.е. температуру плавления по меньшей мере 100°С. C., предпочтительна температура плавления в диапазоне от 100°С до 100°С. до 200°С C. Количество отвердителя, присутствующего в композиции флюса, обычно не должно превышать 20% по массе от общей массы композиции.

В случае, когда один дополнительный компонент выполняет функцию двух или более компонентов (a), (b) и (c), количество указанного компонента в составе флюса может быть кумулятивным, например, когда один компонент выполняет все три функции, до 60% массы композиции может составлять компонент.

Флюсовая композиция по настоящему изобретению, предназначенная для использования в электронной промышленности, предпочтительно сочетается с мягким припоем с образованием флюсовой припойной композиции, преимущественно порошковой припойной проволоки, которая представляет собой удлиненный элемент мягкого припоя сплав, имеющий по существу непрерывную сердцевину или множество отдельных сердцевин флюсового состава, проходящих в продольном направлении через внутреннюю часть удлиненного элемента. Предпочтительно проволока для припоя с флюсовой сердцевиной должна содержать по меньшей мере пять отдельных сердцевин флюса, расположенных по существу симметрично относительно продольной оси проволоки, как в случае проволоки для припоя с канифолью, продаваемой компанией Multicore Solders Limited в Соединенном Королевстве. и за рубежом под торговой маркой «ERSIN Multicore 5-Core Solder». Проволока для припоя с флюсовой сердцевиной может быть изготовлена ​​путем экструзии припоя с образованием удлиненной проволоки с одновременным введением флюсовых сердечников. Следует понимать, что для изготовления проволоки с флюсовым сердечником вышеуказанным способом композиция флюса по настоящему изобретению обычно должна включать сложный эфир многоатомного спирта, температура плавления которого ниже, чем у сплава мягкого припоя, из которого формируется проволока припоя, так что флюсовая композиция может быть введена в расплавленном состоянии в припой. После включения флюсовых сердечников в проволоку припоя диаметр экструдированной проволоки можно уменьшить, например, путем прокатки или волочения.

Вместо проволоки с флюсовым сердечником композиция флюсового припоя может быть в форме ленты для припоя или заготовок для припоя, таких как, например, шайбы, кольца, таблетки или диски, которые могут быть выбиты из ленты для припоя.

Сплав мягкого припоя, используемый в вышеупомянутых композициях флюсовых припоев, может представлять собой сплав олова/свинца, содержащий не менее 1% по весу олова, а остальное приходится на свинец. Например, сплав может представлять собой сплав олово/свинец 60/40. При желании сплав может также содержать незначительные доли одного или нескольких других металлов, например, до 7 % сурьмы, до 3 % меди, до 20 % кадмия или до 10 % серебра, кроме любых случайных элементов и /или примеси.

Следующие примеры иллюстрируют композиции флюса в соответствии с изобретением, которые находятся в твердой форме.

ПРИМЕР 1

Твердую флюсовую композицию готовили путем гомогенного смешивания при повышенной температуре следующих компонентов:0003

ПРИМЕР 2

Твердую флюсовую композицию готовили путем гомогенного смешивания при повышенной температуре следующих компонентов:

ПРИМЕР 3

Состав твердого флюса готовили из следующих компонентов:

______________________________________ % по массе ______________________________________ Триметилолэтантрибензоат 80 Бензойная кислота 3 Циклогексиламина гидрохлорид 2 Димеризованная канифоль 15 Затем смеси давали остыть до 120°С. Затем добавляли бензойную кислоту и гидрохлорид циклогексиламина. Температуру медленно повышали при перемешивании до 150°С. C. до получения прозрачного раствора. Затем ему давали остыть до комнатной температуры для получения флюса требуемого состава.

ПРИМЕР 4

Твердую флюсовую композицию готовили из следующих компонентов способом, аналогичным описанному в примере 3:

ПРИМЕР 5

Состав твердого флюса готовили из следующих компонентов способом, аналогичным описанному в примере 3:

______________________________________ % по массе __________________________________________ Пентаэритриттетрабензоат 90 Адипиновая кислота 3 2-Хлорэтилморфолина гидрохлорид 2 Пентаэритритовый эфир малеиновой канифоли 5 ___________________________________________

Мягкий припой, состоящий из 60 мас. в виде продолговатой проволоки, имеющей пять симметрично расположенных цилиндрических полостей, проходящих через нее, в которые одновременно вводили указанный выше флюсовый состав в расплавленном состоянии с образованием пяти порошковых припоев, диаметр которых затем уменьшали волочением. Полученную проволоку затем наматывают на катушку подходящего размера.

Проволоку для припоя с флюсовой сердцевиной, полученную вышеописанным способом, затем использовали с паяльником при температуре 280°С. C. для пайки электрических контактов. Во время пайки практически не выделялось дыма, в отличие от аналогичной проволоки с канифольным сердечником, которая при использовании в тех же условиях действительно выделяла значительное количество дыма.

При производстве печатных плат, используемых, например, в электронном оборудовании, типичная традиционная система включает создание рисунка медного проводника цепи на покрытой медью пластиковой ламинированной плате путем нанесения травильного резиста, обычно методом трафаретной печати, на области там, где желательны медные проводники, затем травление, например, раствором хлорида железа непокрытой меди с платы, удаление травильного резиста с платы, нанесение припоя, как правило, путем трафаретной печати на участки печатной платы, которые не не требующие последующего нанесения на нее припоя, а затем, если это обычно бывает, хранить плату до монтажа на ней необходимых компонентов, нанося на плату защитное покрытие, которое может быть либо оловянным /покрытие свинцовым припоем или химический консервирующий лак, не требующий удаления перед флюсованием и пайкой. После этого необходимые компоненты монтируются на печатную плату путем пропускания подводящих проводов от компонентов через отверстия, выполненные в плате, и присоединения их к медным печатным проводникам пайкой. Пайка может производиться вручную, например, с помощью паяльника и порошковой припойной проволоки, или автоматически, путем подачи сначала потока жидкости, например, кистью, погружением на поверхность ванны с флюсом, распылением. , накатыванием, волновым флюсованием, т. е. пропусканием стоячей волны жидкого флюса, или пенным флюсованием, т. е. пропусканием стоячей волны вспененного флюса с последующим нанесением на флюсованный печатный узел, образованный таким образом, припоя, для например, путем пайки погружением, протаскиванием, водосливной или каскадной пайки или пайки волной припоя, т. е. пропускания стоячей волны расплавленного припоя. Для обеспечения надежности паяных соединений, выполненных таким образом, выводы компонентов обычно покрывают оловянно-свинцовым припоем во время изготовления компонентов. Наконец, остатки флюса, образующиеся на этапе пайки, обычно удаляются, и на готовый печатный узел часто наносится защитное покрытие с помощью кисти, погружения или распыления, чтобы защитить узел от последующего износа, возникающего, например, в результате использования в коррозионной атмосфере. .

Флюсовые композиции в соответствии с настоящим изобретением могут быть приготовлены в виде жидкости путем растворения составляющих в органическом растворителе, выбор которого будет зависеть от желаемой вязкости и скорости высыхания жидкой флюсовой композиции. Такие жидкие флюсовые композиции по изобретению могут быть с успехом использованы при производстве печатных плат, поскольку они позволяют упростить обычную систему, описанную выше, и, следовательно, позволяют снизить производственные затраты на печатные платы. Таким образом, жидкие флюсовые композиции в соответствии с изобретением при нанесении на чистую многослойную пластиковую плату с медным покрытием, например, методом трафаретной печати, могут действовать как резист травления на последующем этапе травления и могут сохраняться на печатной плате в виде защитное покрытие для рисунка проводника медной цепи, полученное на этапе травления, что позволяет хранить платы готовыми к возможному использованию в процессах пайки. При необходимости использования печатные платы могут иметь необходимые компоненты, установленные на них путем ввода выводных проводов через отверстия, сделанные в плате после этапа травления, и соединения их с печатными проводниками с помощью припоя без необходимости предварительное отдельное дальнейшее нанесение флюса на печатную плату при условии, что выводы компонентов находятся в состоянии для пайки. Остатки флюса, образующиеся на этапе пайки, обычно не нужно удалять, и они могут действовать как окончательное защитное покрытие.

Из вышеизложенного следует, что по сравнению с описанным ранее обычным способом изготовления печатных сборок использование жидких флюсовых композиций в соответствии с изобретением может значительно упростить производство таких сборок и, следовательно, устранить необходимость использования большого, сложного и дорогого оборудования на нескольких этапах производства, а также может избежать использования легковоспламеняющегося жидкого флюса на линии сборки пайки, поскольку применение флюса может быть ограничено предшествующим производством плат или компонентов в другом месте. Однако, при желании, композиции жидких потоков по изобретению могут быть использованы вместо известных жидких флюсов в обычной производственной линии.

Жидкие флюсовые композиции по изобретению могут быть приготовлены, как упоминалось ранее, путем растворения компонентов в подходящем органическом растворителе или смеси таких растворителей. Подходящие растворители могут быть выбраны из кетонов, например метилизобутилкетона и ацетона, спиртов, например изопропанола, и ароматических растворителей, например толуола и ксилола.

Флюсовые композиции по изобретению в жидкой форме предпочтительно содержат не менее 40%, предпочтительно не менее 50% по весу, в расчете на содержание твердых веществ в композиции, сложного эфира многоатомного спирта, тогда как в твердой форме, они предпочтительно содержат по меньшей мере 80%, преимущественно по меньшей мере 90 мас.% указанного сложного эфира в расчете на всю композицию.

Следующие примеры иллюстрируют составы жидких флюсов в соответствии с изобретением.

ПРИМЕР 6

Состав флюса в жидкой форме готовили из следующего:0003

EXAMPLE 7

A flux composition in liquid form was prepared from the following:

______________________________________ % by weight ______________________________________ Trimethylolethane tribenzoate 12 Polymerized rosin 6 Adipic acid 2 Methyl isobutyl ketone 40 Acetone 40 ______________________________________

EXAMPLE 8

Состав флюса в жидкой форме готовили из следующего:

__________________________________________ % по массе ________________________________________________________ Пентаэритриттетрабензоат 15 Циклогексиламина гидрохлорид 1 Пентаэритритовый эфир малеиновой 5 канифоли Толуол 58 Ацетон 21 ___________________________________________

EXAMPLE 9

A flux composition in liquid form was prepared from the following:

______________________________________ % by weight ______________________________________ Pentaerythritol tetrabenzoate 10 Adipic acid 1 Pentaerythritol ester of a maleated 10 rosin Toluene 58 Acetone 21 ______________________________________

The following Examples иллюстрируют использование композиций жидких флюсов по настоящему изобретению при изготовлении печатных схем.

ПРИМЕР 10

Композицию жидкого флюса, описанную в предыдущем примере 6, наносили кистью на чистую пластину из многослойного пластика с медным покрытием, чтобы сформировать на ней рисунок, в котором должны были быть сформированы медные проводники цепи. Полученной плате давали высохнуть при комнатной температуре в течение примерно 15 минут, а затем погружали в травильный раствор хлорида железа, из которого ее удаляли примерно через 15 минут. Травильный раствор удалил все открытое медное покрытие, оставив необходимый медный рисунок, покрытый флюсовой композицией, которая действовала как резист травления. Затем плату промывали в проточной воде при комнатной температуре и сушили. После искусственного старения во влажных условиях плата была высушена и осмотрена, после чего было обнаружено, что она все еще имеет четкое покрытие флюсовой композиции по рисунку медных проводников. Затем плату обычным образом пропускали над стоячей волной расплавленного припоя без какого-либо дополнительного предварительного нанесения жидкого флюса или растворителя. Эта операция проводилась на обычной машине для пайки волной припоя со стадией предварительного нагрева перед стадией пайки, установленной на 9°С.0° C., но с выключенным этапом подачи жидкого флюса. Припой, использованный на этапе пайки, представлял собой сплав олова/свинца 60/40, который использовали при температуре 250°С. C. После того, как плата прошла через волну припоя, ее осмотрели и обнаружили, что рисунок медного проводника полностью спаян с равномерным расплавленным покрытием припоя.

ПРИМЕР 11

Содержание растворителя в композиции жидкого флюса, описанной в предшествующем примере 6, регулировали таким образом, чтобы композицию можно было наносить трафаретной печатью на пластину из медно-пластикового ламината. Затем композицию наносили методом трафаретной печати на чистую многослойную пластину из пластмассы с медным покрытием для формирования рисунка, в котором должны были быть сформированы медные проводники цепи. Затем плату протравливали, промывали и сушили, как описано в примере 10, после чего в плате пробивали отверстия в местах, где выводы компонентов впоследствии должны были пройти через плату. После этого электронные компоненты с выводами, покрытыми тем же составом флюса, монтировались на непокрытой стороне платы путем пропускания выводов через соответствующие перфорированные отверстия на сторону платы с медным рисунком, и полученная сборка подвергалась стадии предварительного нагрева и затем стадия пайки на обычной машине для пайки волной припоя способом, описанным в примере 10. Полученная готовая сборка печатной платы имела идеально спаянные соединения.

Как упоминалось выше в связи с обычной процедурой изготовления печатных сборок, выводы компонентов обычно покрываются припоем перед установкой компонентов на печатную плату. Было обнаружено, что жидкие флюсовые композиции по изобретению можно также использовать в качестве защитного покрытия для выводов электронных компонентов и как таковые можно рассматривать как альтернативу припою.

Еще одно применение, для которого может быть использована флюсовая композиция по настоящему изобретению, – покрытие ванны для пайки. Ванны для пайки обычно работают при температурах около 260°С. C., такие как используемые при пайке электронных компонентов на печатной плате, как описано ранее, обычно снабжены антиокислительным покрытием, которым обычно является углеводородное масло. Однако такие масла имеют недостаток, заключающийся в том, что они подвержены прогрессирующему и быстрому окислению, что приводит к короткому сроку действия защиты, которую они обеспечивают. Однако флюсовые композиции в соответствии с изобретением могут использоваться в качестве антиокислительного покрытия в течение относительно длительного периода времени и имеют дополнительное преимущество, состоящее в том, что они могут действовать как флюс во время пайки погружением компонентов в ванне для пайки, имеющей такое защитное покрытие. покрытие и не загрязняет компоненты, ранее покрытые флюсом, особенно если аналогичный состав флюса использовался для флюсового покрытия компонентов.