Флюсы для пайки: применение, назначение и классификация

Пайка деталей и изделий с применением специальных реагентов, называемых флюсами, широко распространена в самых различных отраслях промышленного производства.

При этом основное назначение флюсов – обеспечить идеальное растекание припоя по поверхности паяного соединения и создать условия для его надёжной адгезии к металлическим изделиям. Иными словами, без флюса в большинстве случаев при пайке не обойтись, они нужны для соблюдения технологии.

Разновидности флюсовых составов

При рассмотрении вопроса о том, для чего нужен флюс при выполнении пайки материалов, любое дополнительное пояснение можно считать излишним.

Для полного понимания сферы применения и особенностей работы необходимо ознакомиться с известными видами используемых на практике флюсов.

В соответствие со своим основным назначением, а также по степени воздействия на соединяемые изделия все флюсовые составы для пайки подразделяются на следующие категории:

• неактивные или нейтральные флюсы, не включающие кислот и практически не проводящие электрический ток;
• активные или кислотные флюсовые реактивы, приготавливаемые на основе соляной кислоты;
• защитные (антикоррозийные) флюсы, позволяющие уберечь контактную зону пайки уже готового соединения от ржавчины и разрушения.

Каждая из этих категорий находит свою сферу применения. Есть флюсы, которые нужны преимущественно для пайки электронных схем. Производят флюсы в виде паст, гелей и жидкостей.

А известный флюс бура применяется в виде порошка, и нужен для пайки медных труб. Паяльная паста – смесь припоя и флюса – нужна для поверхностного монтажа деталей на платах.

Нейтральные вещества

К нейтральным флюсам можно отнести канифоль, использовать которую рекомендуется при пайке мелких радиотехнических компонентов и микросхем.

Этот популярный реагент нужен для того, чтобы паять разнородные по структуре детали из меди и её сплавов при сравнительно невысоких температурах нагрева места стыка (не более 450-ти градусов). Причём проведение этой операции допустимо даже при наличии на поверхности заготовок тонких оксидных плёнок.

Благодаря малой активности флюсы на основе канифоли обеспечивают защищённость изделий от коррозии и пользуются в связи с этим повышенным спросом.

При приготовлении рабочего состава в растолчённую до порошкообразного состояния канифоль добавляются спирт, глицерин или скипидар, что способствует улучшению качественных показателей смеси.

Продаются нейтральные флюс-гели, которые нужны для бессвинцовой пайки микросхем. Их удобно наносить специальным шприцем-дозатором.

Активные и антикоррозионные

Активные флюсы так же нередко изготавливаются на основе канифоли, доведённой до порошкообразного состояния. Однако в этом случае в составе приготавливаемой смеси в небольших объёмах содержатся органические соединения (кислотные или аминовые).

Благодаря этому с её помощью удаётся припаять к металлическому основанию не только медные детали, но и серебряные, никелевые и стальные изделия или заготовки.

В более сложных условиях пайки нужны активные флюсы на основе соляной кислоты с добавкой хлористого цинка, получаемого в результате простой реакции замещения.

Эта разновидность флюсовой добавки хорошо известна профессионалам: чаще всего она выпускается и продаётся под названием «паяльная кислота». Кислотные флюсы нужны для пайки алюминиевых деталей.

Сфера применения флюсов этого класса – запайка изделий из меди и серебра. Также они нужны для пайки стальных заготовок и различных сплавов.

Поскольку эти реагенты относятся к разряду химически активных составов, паяние с их применением позволяет эффективнее бороться с окисными плёнками. Такая активность обеспечивает более интенсивное взаимодействие с основным металлом, из которого изготовлены сплавляемые заготовки.

Ещё одной особенностью этих реагентов является высокая электрическая проводимость, что исключает возможность их использования в качестве изоляционного защитного покрытия.

Существуют составы на основе фосфорной и органических кислот. Зачем вообще нужны такие флюсы?

Они относятся к категории антикоррозионных и применяются для удаления с металлических поверхностей остатков и следов ржавчины, а также для защиты от возможности появления окислов после пайки (в процессе эксплуатации).

Поскольку при приготовлении этих смесей используются кислотные составляющие – они очень напоминают паяльные кислоты.

Однако в отличие от последних антикоррозийный флюс для пайки не устраняет оксидных плёнок. Он нужен доя защиты от разрушений, возможных из-за реакции окисления.

Порядок применения

Флюсы могут находиться как в твёрдом (пастообразном), так и жидком состоянии и продаваться в упаковках самой различной формы и объёма.

Так, твёрдая канифоль поступает в продажу в плоских баночках, оснащённых плотно закрывающейся крышкой.

Согласно исходному агрегатному состоянию этих составов различают следующие способы их применения:

• при твёрдом флюсе во время пайки жало паяльника сначала нужно окунуть в тело реагента, после чего им захватывают небольшое количество припоя;
• в тех случаях, когда на основе канифоли приготавливается или используется уже готовая жидкая смесь – она просто наносится на место спайки посредством обычной кисточки с мягким ворсом;
• при работе с пастообразным составом небольшие порции флюса наносятся на место контакта любой подходящей для этого палочкой (выдавливаются из шприца, заранее заправленного до нужной дозировки).

Нередко в магазинах продаётся канифоль, приготовленная в виде специального геля, уже размещённого в шприце определённой ёмкости.

Такие гелеобразные составы принято относить к нейтральным реагентам, широко применяемым в радиоэлектронике для пайки миниатюрных деталей.

Самостоятельное приготовление

Приготовить рабочий флюс для пайки на основе канифоли можно самостоятельно. Для этого достаточно раздробить и растереть её в порошок, а затем засыпать полученный состав в ёмкость и сразу же залить небольшим количеством технического спирта.

Соотношение используемых при подготовке флюса компонентов должно составлять три к пяти. После тщательного встряхивания приготавливаемой смеси следует оставить её на пару дней и не трогать до тех пор, пока канифоль окончательно не растворится в спирте.

Самой подходящей ёмкостью под жидкий флюс является обычный пузырёк из-под лака, в крышке которого уже имеется встроенная кисточка. Непосредственно перед использованием рекомендуется тщательно отмыть бывшую в употреблении бутылочку от следов лака.

Довольно часто специалистами применяется ещё одна близкая к флюсам разновидность активных добавок, называемая паяльным жиром. Этот реагент принято относить к условно нейтральным составам. Они нужны, чтобы несколько улучшить условия пайки металлических соединений.

Следует напомнить, что прежде чем покупать какую-либо марку флюса, нужно изучить инструкцию к ней, и понять, для чего конкретно она предназначается.

Только в этом случае получится сделать качественное паяльное соединение.

Вначале определимся, что такое пайка: «Образование неразъемного соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, их смачивания припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации» (ГОСТ 17325-79).

Паяные соединения не являются механическими: в соответствии с ГОСТ и IPC к ним предъявляются только требования обеспечения электрического контакта между спаиваемыми поверхностями. Механическая прочность нормируется для сварочных соединений. Пайка труб дает сварное соединение, а флюс при этом используется сварочный. Мы же рассмотрим флюсы для пайки.

Основная задача флюса — удаление оксидной пленки с поверхности контактных площадок печатной платы и выводов монтируемых элементов.

Классификация флюсов для пайки

Флюсы для монтажа микроэлементов можно разделить по активности на низко-, средне- и высокоактивные, а по составу — на канифольные, синтетические и органические (таблица 1).

Таблица 1. Классификация флюсов

Активность флюса (% содержание галогенов)	Канифольные Rosin (RO)	Синтетические Resin (RE)	Органические Organic (OR)	Необходимость отмывки
Низкая (0%)	ROL0	REL0	ORL0	Нет
Низкая (<0,5%)	ROL1	REL1	ORL1	Нет
Средняя (0%)	ROM0	REM0	ORM0	Рекомендуется
Средняя (0,5 – 2,0%)	ROM1	REM1	ORM1	Рекомендуется
Высокая (0%)	ROH0	REH0	ORH0	Обязательно
Высокая (>2,0%)				Обязательно

Упрощенно принцип работы галогенсодержащих флюсов выглядит так:

1. Ионы галогенов реагируют с оксидной пленкой, связывая оксид металла.
2. Кислотные реагенты, содержащиеся во флюсе, восстанавливают галоген.
3. Восстановленный галоген реагирует с оксидной пленкой.

Принцип работы безгалогенных флюсов схож с принципом работы галогенсодержащих флюсов, но существует ряд отличий.

У безгалогенных флюсов (HF) процесс восстановления металла из оксида протекает медленнее относительно галогенсодержащих флюсов и сильно зависит от температуры. В связи с этим в состав HF-флюсов вводится большое количество различных активаторов, которые позволяют сохранить химическую активность в широком диапазоне температур.

Хотя содержание галогенов для обеспечения работы флюса требуется незначительное, в масштабах промышленного производства галогенная технология наносит значительный вред окружающей среде. В соответствии с мировыми стандартами вводятся ограничения на использование галоидных соединений в электронной промышленности. На данный момент в мире галогенсодержащие паяльные материалы используются, в основном, в военной и космической промышленности. Остальные отрасли переходят на безгалогенную технологию.

Рассмотрим более подробно типы флюсов по основе.

Канифольные флюсы для пайки (RO)

Канифоль — твердая природная смола с высокой температурной стабильностью в процессе пайки. Высокая плотность канифольного флюса снижает вероятность образования шариков и сосулек припоя. Остатки канифольного флюса легко отмываются.

Кроме канифоли, в состав флюса RO входят растворители и активаторы, которые разрывают химические связи канифоли и повышают ее химическую активность. После пайки растворители улетучиваются, и канифоль в остатках флюса претерпевает поликонденсацию: вновь образуется сшитый полимер. После поликонденсации остатки натуральной канифоли могут стать хрупкими, их свойства не регулируются.

Синтетические флюсы для пайки (RE)

Флюсы на основе синтетических смол производятся с фиксированным массо-молекулярным распределением, поэтому свойства остатков контролируются производителем. Остатки низкоактивных синтетических флюсов становятся защитным покрытием. Эти остатки с трудом поддаются отмывке, если необходимость в ней все-таки возникнет.

Органические флюсы для пайки (OR)

Флюсы на органической основе состоят из низкомолекулярных органических кислот и растворителей. При пайке растворители сильно активируют кислоты и испаряются вместе с ними почти без остатка. Немногочисленные остатки инертны и легко отмываются. Недостаток: быстрое испарение активных компонентов флюса сужает технологическое окно пайки.

Совместимость флюсов

Нельзя смешивать флюсы с различной основой, потому что они по определению несовместимы. Нельзя смешивать и флюсы на одинаковой основе, потому что растворители и активаторы разных композиций флюса реагируют между собой непредсказуемо, и из двух композиций с известными свойствами получается третья — с неизвестными свойствами.

Производители паяльных материалов указывают совместимость своих продуктов.

Отмывка паяльного флюса

Разберемся, стоит отмывать остатки флюса после пайки или нет.

В спецификации флюса производитель указывает требования к отмывке остатков флюса после пайки.

1. Высокоактивный флюс и флюс с неорганическими активаторами требуют обязательной отмывки. Если не удалить остатки флюса, то под действием водяных паров, содержащихся в воздухе, будет происходить следующее:
   • диссоциация компонентов флюса на ионы, что приведет к электромиграции и возникновению короткого замыкания между соседними контактными площадками;
   • образование интерметаллидов внутри паяного соединения;
   • остатки кислот вызовут коррозию паяного соединения.
2. Среднеактивный флюс. Хотя химическая активность таких флюсов при нормальных условиях практически равна нулю, во избежание образования дефектов паяного соединения остатки флюса рекомендуется удалять.
3. Низкоактивный флюс. Остатки подобных флюсов химически инертны и могут служить защитным покрытием паяных соединений. Требования по отмывке могут быть, например:
   • косметические (светодиодное освещение);
   • необходимость лакировки (в приборах, которые работают в агрессивных средах — солевой туман и т. д.).

Возникает вопрос: чем отмывать остатки флюса?

Условно флюсы можно разделить на водоотмывные и флюсы, требующие отмывки растворителями.

Остатки водоотмывных флюсов в идеале отмываются последовательно обычной, дистиллированной и деионизированной водой, причем на каждом этапе применяют струйную отмывку или ультразвук.

Отмывка флюсов с использованием специальных жидкостей делится на два этапа:

1. Удаление остатков флюса.
2. Удаление растворителя (спецжидкости).

В большинстве случаев для отмывки остатков флюсов производители паяльных материалов указывают, какими жидкостями и в каком режиме необходимо производить отмывку для получения высокого качества.

См. также:

Паяльные пасты: все о главном. Часть первая, вторая, третья, четвертая.

Развитие безгалогенной технологии в микроэлектронике