Водосмываемые материалы – так ли страшен черт, как его малюют?
Т.В. Кузнецова, к.х.н., инженер-технолог
T.V.Kouznetsova@mail.ru
На рынке паяльных материалов огромную нишу занимают водосмываемые материалы (жидкие флюсы, пасты с флюсом, смываемым водой, припой с сердечником из водосмываемого флюса, флюс-гель). Отношение к этим материалам у потребителей разное. Кто-то активно их использует, считая, что они упрощают и удешевляют процесс, не говоря уж о том, что отмывка в воде много приятнее для оператора, чем использование растворителей или омылителей, имеющих запах, разъедающих руки и зачастую еще и легковоспламенимых. Кто-то боится водосмываемых материалов как огня, считая, что при их использовании печатные узлы будут корродировать, так как в их состав входят агрессивные кислоты.
В этой статье мы попробуем разобраться, все ли водосмываемые материалы одинаковы и кто же прав – те, кто активно водосмываемые материалы используют или те, кто их боится как огня.
Самое главное и основное свойство водосмываемых материалов – это способность их в исходном и термообработанном виде растворяться водой. Традиционные водосмываемые материалы – это либо органические, растворимые в воде кислоты, либо амины и их соли. Растворимые в воде кислоты активно взаимодействуют с закрывающими паяемый металл оксидами по реакции:
MeO + 2RCOOH = Me(RCOO)2 + H2O (Me = олово, свинец, медь; RCOOH – карбоновая кислота),
Амины или их соли реагируют с окислами по реакции:
MeO + xR-NH2*HY = [Me(RNH2)x]Y2 + H2O (Me = олово, свинец, медь; R-NH2 – органический амин; Y- = гидроксидный или галогенидный ион).
То, насколько активно карбоновая кислота или амин реагирует с оксидной пленкой, зависит в первую очередь от степени диссоциации карбоновой кислоты (амина). Чем более сильно кислота диссоциирована, тем она активнее. В свою очередь, степень диссоциации зависит от природы карбоновой кислоты (уксусная диссоциирует гораздо сильнее масляной) и от температуры (чем выше температура, тем сильнее степень диссоциации). Из вышесказанного напрямую следует, что не все водосмываемые материалы одинаково активны.
В спецификации флюса всегда приводится его обозначение. У традиционных водосмываемых материалов оно ORH0 или ORH1. OR означает, что во флюсе содержатся органические вещества, но не смолы (что очевидно, так как без особых ухищрений смыть смолу водой просто невозможно). Н является показателем высокого уровня активности. Цифры указывают на присутствие или отсутствие во флюсе галогенов (0 – отсутствие, 1 – присутствие). Но в последнее время все чаще встречаются материалы с обозначением ORM0 или даже ORL0 – такие материалы очень часто являются водосмываемыми, причем M имеют среднюю активность, а L – малоактивные флюсы. Очевидно, что степень коррозии печатной платы при использовании высокоактивных материалов будет существенно выше, чем материалов типа ORL0 [1].
Таким образом, мы уже выяснили, что ряд водосмываемых материалов может быть малоактивным и даже не вызывать коррозии. Например, в техническом описании на одну из поставляемых на рынок водосмываемых паст мы видим тип флюса ORL0, то есть тест «медное зеркало» она проходит без взаимодействия с медью. И таких материалов сейчас на рынке довольно много.
Но самое удивительное и неожиданное, когда мы видим водосмываемые материалы с маркировкой ROL0 или REL0 [2]. С точки зрения обычного человека, такого не может быть. Фантастика это или реальность? Давайте попробуем разобраться.
RO в обозначении флюса означает, что он канифольный, а RE - на основе промышленных синтетических смол. Все из опыта знают, что канифоль и смолы (за исключением водорастворимых полимеров) в воде не растворимы, так как же тогда может существовать растворимая в воде паста на основе канифоли?
Есть ряд ухищрений, которые позволяют смыть не растворимые в воде загрязнения водой. Первый и самый простой – омыление. Мыло позволяет отмыть жирные руки, посуду, выстирать грязные вещи в простой воде. Оно, во-первых, химически взаимодействует с загрязнениями, а во-вторых, содержащиеся в мыле поверхностно-активные вещества удерживают загрязнения в растворе, а не на очищаемой поверхности. Второй способ – механический. То, что не растворяется, можно механически соскоблить, отодрать и просто сошлифовать. В прямом виде этот способ для печатных плат не используется, но косвенно при любой отмывке есть механическое воздействие – это или ультразвук, вызывающий микроколебания жидкости (образование и схлопывания пузырьков), или барботаж – перемешивание пузырьками воздуха, или кинетическая энергия струи [3]. И именно механическое воздействие оказывает огромное влияние на результат отмывки. Ну и последний, самый наверно экзотический способ, – испарить. Т.е. использовать флюсующие материалы, которые при нагревании до температуры пайки будут полностью испаряться. Тогда после пайки на поверхности печатного узла останутся лишь продукты реакции флюсующих веществ с оксидами (соли), которые, как правило, при применении механической энергии будут легко растворяться в воде. Т.е. если разработчики паяльной пасты заранее добавили в пасту ПАВ, или же ПАВ образуется в пасте при нагревании, а также если флюсующие вещества испаряются при температурах пайки, то остатки пасты будут отмываться водой, несмотря на то, что в состав пасты входят нерастворимые в воде смолы. Такие материалы являются малоагрессивными и, как правило, обладают неплохой смачиваемостью и паяемостью.
Итак, мы выяснили, что не все водосмываемые материалы одинаково агрессивны и что даже могут существовать материалы ноу-клин, которые можно смыть водой. Теперь попробуем разобраться в том, как выбрать водосмываемые материалы и как с ними правильно работать.
Начнем с традиционных органических материалов. Большинство паст с такими флюсами имеет короткий срок хранения (так как идет реакция окисления шариков припоя кислотами даже при температурах хранения, и в некоторых пастах для предотвращения этого процесса флюс поставляется отдельно и добавляется в пасту непосредственно перед применением). Они имеют небольшое технологическое окно – срок жизни на трафарете (на плате до оплавления) не более смены, время между пайкой и отмывкой тоже не более смены. Профиль оплавления таких паст «нагрев-пик». Выдержка не нужна и даже вредна, так как флюс активен с момента нанесения пасты на плату. Отмывать их нужно очень тщательно и контролировать результат отмывки нужно специальными методами, так как ионные загрязнения, как правило, в микроскоп не видны. Это измерение сопротивления поверхностной изоляции, разные тесты на ионные остатки и измерение сопротивления воды, используемой для отмывки (последний метод является косвенным, но очень простым и легким в исполнении).
Теперь о материалах с невысокой активностью. Для них все вышесказанное совсем не актуально. При низких температурах они, как правило, не активны. Поэтому их можно гораздо дольше держать на плате и до оплавления, и после, а некоторые из них, если верить рекламе производителей, можно и не смывать. В этих случаях надо соблюдать указанный производителем термопрофиль, так как он будет оказывать очень сильное влияние на качество пайки, возможность последующей отмывки и на надежность печатных плат.
Хочется отметить, что все водосмываемые пасты очень чувствительны к параметрам окружающей среды, особенно к влажности воздуха. Они высыхают в сухом воздухе, становятся маловязкими, плохо наносятся. Их можно разбавить – либо водой либо специальными растворителями, информацию можно получить при заказе пасты у производителей или продавцов.
В заключение хочется еще раз отметить, что на данный момент под общим названием водосмываемые материалы продается огромное количество совершенно разных по активности, смачиваемости, химическому составу и пр. материалов, поэтому прежде, чем использовать тот или иной материал, необходимо внимательно прочитать на него техническую документацию и провести испытания на вашем производстве!
Список литературы
1. IPC-TM-650 Руководство по методам тестирования
2. http://www.amtechsolder.ru/paste/lf4300/
3. Кузнецова Т., Кайдалова К. Технология очистки печатных плат // ТВЭП. 2010. №5