RU2211255C1 - Method for hot-dip tinning printed circuit board - Google Patents

Abstract

FIELD: tin plating. SUBSTANCE: method involves preparing surface and application of sublayer followed by application of tin-containing alloy and protective layer. Flux containing the following components is used as a sublayer, wt.-%: acid (as measured for anhydrous acid), 1.5-3.5; laprol 2502-OZH, 42.0-58.0; distilled water, the balance. The solution containing the following components is sued as a protective layer, wt.-%: sodium hydroxide, 3.0-4.0; potassium hydroxide, 5.5-8.5; ortho-phosphoric acid, 68.0- 82.0; colophony, 4.0-4.0; potassium hypophosphite, 0.05-0.15; distilled water, the balance. Invention provides enhancement of strength and quality of soldered joint. Invention can be used in radio engineering and microelectronic industry for tinplating soldering outlets of semiconductive devices and printed circuit boards. EFFECT: improved tinplating method. 3 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области нанесения металлических покрытий на другие металлы, а именно к способу нанесения оловянных сплавов на металлическую основу, и может быть использовано в радиотехнической и микроэлектронной промышленности, предпочтительно для лужения паяемых выводов полупроводниковых приборов и печатных плат. The invention relates to the field of applying metal coatings to other metals, and in particular to a method for applying tin alloys to a metal base, and can be used in the radio engineering and microelectronic industries, preferably for tinning soldered terminals of semiconductor devices and printed circuit boards.

Пайка является передовым технологическим процессом, отвечающим условиям массового производства и обеспечивающим необходимое качество и надежность изделий, экономичность и возможность механизации на всех стадиях производства. Качество процесса лужения определяется, в частности, обработкой поверхности слоя металла, на который наносят оловянный сплав, условиями нанесения оловянного сплава и последующей обработкой нанесенного слоя. Soldering is an advanced technological process that meets the conditions of mass production and provides the necessary quality and reliability of products, efficiency and the possibility of mechanization at all stages of production. The quality of the tinning process is determined, in particular, by treating the surface of the metal layer on which the tin alloy is applied, the conditions for applying the tin alloy and subsequent processing of the applied layer.

Обработка поверхности слоя металла, предназначенного для лужения, в основном направлена на удаление оксидной пленки с поверхности облуживаемого металла. Для предварительного удаления оксидной пленки используют обработку в соответствующих травителях с последующей промывкой водой. Для удаления оксидной пленки и предотвращения ее появления в процессе лужения используют поверхностно-активные вещества, так называемые флюсы. Флюсы уменьшают поверхностное натяжение расплава оловянных сплавов, способствуют улучшению смачивания и растекания, а также передаче тепла на всю зону лужения. The surface treatment of the metal layer intended for tinning is mainly aimed at removing the oxide film from the surface of the metal to be tinned. For preliminary removal of the oxide film, treatment is used in the respective etchants followed by washing with water. To remove the oxide film and prevent its appearance during the tinning process, surfactants, the so-called fluxes, are used. Fluxes reduce the surface tension of the tin alloy melt, contribute to improved wetting and spreading, as well as heat transfer to the entire tinning zone.

Известно довольно много флюсов, используемых для нанесения слоя оловосодержащего сплава (припоя) на поверхность металла. В частности, известен флюс (RU патент 2043894), содержащий канифоль, хлорид аммония, толуол, стеариновую или олеиновую кислоты, а также этилацетат. Известен также флюс (RU 2043893), содержащий муравьиную кислоту, триэтиламин и этанол. Недостатком известных флюсов следует признать необходимость использования органических соединений для промывки луженых поверхностей. There are quite a lot of fluxes used for applying a layer of tin-containing alloy (solder) on the metal surface. In particular, a flux is known (RU patent 2043894) containing rosin, ammonium chloride, toluene, stearic or oleic acid, as well as ethyl acetate. Also known is a flux (RU 2043893) containing formic acid, triethylamine and ethanol. A disadvantage of the known fluxes is the need to use organic compounds for washing tinned surfaces.

Для защиты слоя оловосодержащего сплава обычно используют его оплавление или нанесение защитной пленки. To protect the tin-containing alloy layer, it is usually used to melt it or to apply a protective film.

Известен способ горячего лужения изделий радиоэлектронной техники, в том числе и печатных плат (Груев И.Д. Электрохимические покрытия изделий радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1988, стр. 119-121), включающий подготовку поверхности, нанесение подслоя с последующим нанесением оловосодержащего сплава и защитного слоя. A known method of hot tinning of electronic products, including printed circuit boards (I. Gruev, Electrochemical coatings of electronic equipment. M: Radio and communications, 1988, p. 119-121), including surface preparation, applying a sublayer followed by application of a tin-containing alloy and a protective layer.

Недостатком известного способа следует признать плохую паяемость полученных таким образом изделий. The disadvantage of this method should be recognized as the poor solderability of the products thus obtained.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого изобретения, состоит в разработке способа горячего лужения печатных плат, обеспечивающего высококачественную пайку. The technical problem solved by the present invention is to develop a method of hot tinning of printed circuit boards, providing high-quality soldering.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в повышении прочности и качества паяного соединения на поверхности печатной платы. The technical result obtained by the implementation of the invention is to increase the strength and quality of the solder joint on the surface of the printed circuit board.

Для получения указанного технического результата предложено использовать способ горячего лужения печатных плат, включающий подготовку поверхности, нанесение подслоя с последующим нанесением оловосодержащего сплава и защитного слоя, причем в качестве подслоя используют флюс, содержащий, мас.%:
Кислота (в пересчете на 100% лимонную безводную кислоту) - 1,5-3,5
Лапрол 2502-ОЖ ТУ 6-05-1963-84 - 42,0-58,0
Дистиллированная вода - Остальное
а в качестве защитного слоя используют раствор, содержащий, мас.%:
Гидроксид натрия - 3,0-4,0
Гидроксид калия - 5,5-8,5
Ортофосфорная кислота - 68,0-82,0
Канифоль - 3,0-4,0
Гипофосфит калия - 0,05-0,15
Дистиллированная вода - Остальное
Предпочтительно используют лимонную или соляную кислоты.To obtain the technical result, it is proposed to use a method of hot tinning of printed circuit boards, including surface preparation, applying a sublayer followed by applying a tin-containing alloy and a protective layer, and a flux containing, wt.% Is used as a sublayer:
Acid (in terms of 100% citric anhydrous acid) - 1.5-3.5
Laprol 2502-OZh TU 6-05-1963-84 - 42.0-58.0
Distilled Water - Else
and as a protective layer using a solution containing, wt.%:
Sodium hydroxide - 3.0-4.0
Potassium hydroxide - 5.5-8.5
Phosphoric acid - 68.0-82.0
Rosin - 3.0-4.0
Potassium hypophosphite - 0.05-0.15
Distilled Water - Else
Preferably, citric or hydrochloric acid is used.

Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.

Предварительно готовят раствор флюса и раствор защитного покрытия. Pre-prepared flux solution and a solution of a protective coating.

При приготовлении раствора флюса отмеряют необходимое количество дистиллированной воды и растворяют в ней при перемешивании заранее взвешенные количества кислоты и лапрола 2502-ОЖ (по ТУ 6-05-1963-84). When preparing the flux solution, the required amount of distilled water is measured out and the previously weighed amounts of acid and laprol 2502-ОЖ are dissolved in it with stirring (according to TU 6-05-1963-84).

При приготовлении раствора защитного слоя предварительно готовят защитную легирующую жидкость путем растворения в воде предварительно части взвешенных количеств гидроксида натрия и гидроксида калия, а также всего гипофосфита калия. Затем в полученный раствор добавляют заранее взвешенные количества канифоли и ортофосфорной кислоты, а также оставшиеся количества гидроксидов калия и натрия. Полученный полупродукт подвергают на медленном огне выпариванию до получения указанной выше концентрации компонентов. В процессе выпаривания в раствор переходят из канифоли свободные кислоты, являющиеся пассивирующими и легирующими началами предложенного защитного состава. When preparing a solution of the protective layer, a protective alloying liquid is preliminarily prepared by dissolving in water a preliminary part of the weighed amounts of sodium hydroxide and potassium hydroxide, as well as all potassium hypophosphite. Then, pre-weighed amounts of rosin and phosphoric acid, as well as the remaining amounts of potassium and sodium hydroxides, are added to the resulting solution. The resulting intermediate is subjected to slow evaporation to obtain the above concentration of the components. In the process of evaporation, free acids, passivating and doping principles of the proposed protective composition, pass from rosin to the solution.

Заготовки печатных плат со сформированной топологией медных проводников промывают в проточной воде, помещают в травитель для снятия оксидной пленки с поверхности проводников и повторно промывают водой. Затем заготовки высушивают при температуре 55-65^oС. Обрабатывают заготовки при комнатной температуре раствором флюса, а затем проводят горячее лужение медных проводников при температуре, предпочтительно 230^oС в течение 4-7 с. Выравнивают поверхность лужения при температуре 190-232^oС, промывают заготовки в модуле гидроструйной промывки, промывают теплой водой, сушат при 55-65^oС, а затем наносят защитный слой.The blanks of printed circuit boards with the formed topology of copper conductors are washed in running water, placed in an etchant to remove the oxide film from the surface of the conductors and washed again with water. Then the workpieces are dried at a temperature of 55-65 ^o C. Workpieces are processed at room temperature with a flux solution, and then hot tinning of the copper conductors is carried out at a temperature, preferably 230 ^o C for 4-7 seconds. The tinning surface is leveled at a temperature of 190-232 ^o С, the blanks are washed in the hydro-jet washing module, washed with warm water, dried at 55-65 ^o С, and then a protective layer is applied.

Поскольку используемый флюс полностью водорастворим, исключается использование пожароопасных органических растворителей, т.к. остатки флюса удаляют при промывке печатной платы. Поскольку защитный слой содержит канифоль, облегчается последующая пайка элементов к луженым проводникам. Since the flux used is completely water soluble, the use of flammable organic solvents is excluded, as residual flux is removed by washing the circuit board. Since the protective layer contains rosin, subsequent soldering of the elements to the tinned conductors is facilitated.

Используемые при реализации способа диапазоны количеств используемых реагентов установлены экспериментально и обеспечивают достижение указанного технического результата. В случае, если содержание в флюсе кислоты составит менее 1,5 мас. % или превышает 3,5 мас.%, уменьшается адгезия слоя олова к медному проводнику, также на величину адгезии влияет содержание лапрола, при этом при уменьшении количества лапрола менее 42,0 мас.% уменьшается смачиваемость припоем поверхности медного проводника, а при превышении количества лапрола свыше 58,0 мас.% недопустимо уменьшается механическая прочность слоя олова. Для защитного слоя выход хотя бы одного компонента за указанные диапазоны содержания приводит к ухудшению качества сформированного слоя олова, что приводит к ухудшению паяемости слоя олова, последующему уменьшению адгезии слоя олова к медному проводнику и, в итоге, уменьшению прочности паяного соединения. Used in the implementation of the method, the ranges of amounts of reagents used are established experimentally and ensure the achievement of the specified technical result. If the content in the flux of acid is less than 1.5 wt. % or exceeds 3.5 wt.%, the adhesion of the tin layer to the copper conductor decreases, the laprol content also affects the adhesion, while with a decrease in the amount of laprol less than 42.0 wt.%, the wettability of the solder on the surface of the copper conductor decreases, and when the amount is exceeded laprol over 58.0 wt.% unacceptably reduced mechanical strength of the tin layer. For the protective layer, the release of at least one component beyond the indicated ranges of contents leads to a deterioration in the quality of the formed tin layer, which leads to a deterioration in the solderability of the tin layer, a subsequent decrease in the adhesion of the tin layer to the copper conductor and, as a result, a decrease in the strength of the solder joint.

Ниже приведен оптимальный пример реализации способа с использованием оптимальных составов флюса и защитного слоя, содержащих соответственно, мас. %:
флюс:
Лимонная кислота - 2,0
Лапрол 2502-ОЖ - 46,0
Дистиллированная вода - 52
защитный слой:
Гидроксид натрия - 3,8
Гидроксид калия - 7,5
Гипофосфит калия - 0,09
Канифоль - 3,5
Ортофосфорная кислота - 75,0
Дистиллированная вода - 10,11
Первоначально готовят растворы флюса и защитного слоя. Для этого растворяют в 380 мл дистиллированной воды 20 г лимонной кислоты и 460 г лапрола. Затем раствор доводят дистиллированной водой до 1000 мл и перемешивают. Полученный раствор соответствует указанному оптимальному составу.The following is an optimal example of the implementation of the method using the optimal compositions of the flux and the protective layer containing, respectively, wt. %:
flux:
Citric Acid - 2.0
Laprol 2502-coolant - 46.0
Distilled Water - 52
protective layer:
Sodium hydroxide - 3.8
Potassium hydroxide - 7.5
Potassium hypophosphite - 0.09
Rosin - 3.5
Phosphoric acid - 75.0
Distilled Water - 10.11
Initially, flux and protective layer solutions are prepared. For this, 20 g of citric acid and 460 g of laprol are dissolved in 380 ml of distilled water. Then the solution was adjusted with distilled water to 1000 ml and stirred. The resulting solution corresponds to the specified optimal composition.

Гидроксид натрия в количестве 15,45 г и гидроксид калия в количестве 3,48 г растворяют в 500 мл дистиллированной воды. В раствор добавляют предварительно растворенный в 100 мл дистиллированной воды гипофосфит калия в количестве 0,54 г. Доводят полученный раствор дистиллированный раствор до 5 000 мл. 600 мл полученного раствора помещают в стакан емкостью 1000 мл. В стакан добавляют 21 г измельченной канифоли, 41,4 г гидроксида калия, 7,2 грамма гидроксида натрия и размешивают до растворения гидроксидов. В раствор медленно при перемешивании вливают 450 г ортофосфорной кислоты. В стакане образуется творожистая масса. Содержимое стакана медленно упаривают до остаточного объема 600 мл. При этом из канифоли выделяются свободные кислоты, являющиеся активными компонентами защитного раствора. Полученный раствор соответствует указанному оптимальному составу. Sodium hydroxide in the amount of 15.45 g and potassium hydroxide in the amount of 3.48 g are dissolved in 500 ml of distilled water. 0.54 g of potassium hypophosphite previously dissolved in 100 ml of distilled water is added to the solution. The distilled solution is adjusted to 5,000 ml with the resulting solution. 600 ml of the resulting solution is placed in a 1000 ml beaker. 21 g of ground rosin, 41.4 g of potassium hydroxide, 7.2 grams of sodium hydroxide are added to a glass and stirred until the hydroxides dissolve. 450 g of phosphoric acid are slowly poured into the solution with stirring. A curd mass is formed in a glass. The contents of the glass are slowly evaporated to a residual volume of 600 ml. In this case, free acids are released from rosin, which are the active components of the protective solution. The resulting solution corresponds to the specified optimal composition.

Заготовки односторонних печатных плат со сформированной топологией медных проводников промывают в проточной воде при комнатной температуре в течение 6 минут. Затем заготовки помещают в травитель оксида меди для снятия оксидной пленки с поверхности проводников и повторно промывают водой в тех же условиях. Промытые заготовки высушивают в сушильном шкафу при температуре 55-65^oС. С использованием кисти обрабатывают заготовки при комнатной температуре раствором флюса, а затем проводят горячее лужение медных проводников в стандартном модуле горячего лужения при температуре 232^oС в течение 6 с. Выравнивают поверхность лужения и продувают заготовки в лабораторном шкафу током горячего воздуха при температуре 222^oС, промывают заготовки методом гидроструйной промывки, промывают проточной водой при температуре 38^oС, сушат при 55-65^oС, а затем кистью наносят защитный слой на слой олова.The blanks of single-sided printed circuit boards with the formed topology of copper conductors are washed in running water at room temperature for 6 minutes. Then the workpieces are placed in a copper oxide etchant to remove the oxide film from the surface of the conductors and repeatedly washed with water under the same conditions. The washed billets are dried in an oven at a temperature of 55-65 ^o C. Using a brush, the billets are processed at room temperature with a flux solution, and then hot tinning of copper conductors is carried out in a standard hot tinning module at a temperature of 232 ^o C for 6 s. The tinning surface is leveled and the preforms are blown in a laboratory cabinet with a hot air stream at a temperature of 222 ^o С, the preforms are washed by hydro-jet washing, washed with running water at a temperature of 38 ^o С, dried at 55-65 ^o С, and then a protective layer is applied onto the tin layer with a brush .

В таблице 1 приведены данные испытаний предложенного способа, а также образцов, полученных при использовании флюса ФКСП и без использования защитного покрытия. Испытания проведены через два месяца после изготовления односторонних печатных плат с использованием для лужения и пайки припоя ПОС-63. Table 1 shows the test data of the proposed method, as well as samples obtained using flux FCS and without the use of a protective coating. The tests were carried out two months after the manufacture of single-sided printed circuit boards using POS-63 solder for tinning and soldering.

Следовательно, предложенный способ по сравнению с известным способом позволяет повысить прочность и качество паяного соединения на поверхности печатной платы. Therefore, the proposed method in comparison with the known method can improve the strength and quality of the solder joints on the surface of the printed circuit board.

Claims (2)

1. Способ горячего лужения печатных плат, включающий подготовку поверхности, нанесение подслоя с последующим нанесением оловосодержащего сплава и защитного слоя, отличающийся тем, что в качестве подслоя используют флюс, содержащий, мас. %:
Кислота (в пересчете на безводную кислоту) - 1,5-3,5
Лапрол 2502-ОЖ - 42,0-58,0
Дистиллированная вода - Остальное
а в качестве защитного слоя используют раствор, содержащий, мас. %:
Гидроксид натрия - 3,0-4,0
Гидроксид калия - 5,5-8,5
Ортофосфорная кислота - 68,0-82,0
Канифоль - 3,0-4,0
Гипофосфит калия - 0,05-0,15
Дистиллированная вода - Остальное
2. Способ по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве кислоты используют лимонную кислоту.1. The method of hot tinning of printed circuit boards, including surface preparation, applying a sublayer followed by applying a tin-containing alloy and a protective layer, characterized in that a flux containing, by weight, is used as a sublayer. %:
Acid (in terms of anhydrous acid) - 1.5-3.5
Laprol 2502-OZh - 42.0-58.0
Distilled Water - Else
and as a protective layer using a solution containing, by weight. %:
Sodium hydroxide - 3.0-4.0
Potassium hydroxide - 5.5-8.5
Phosphoric acid - 68.0-82.0
Rosin - 3.0-4.0
Potassium hypophosphite - 0.05-0.15
Distilled Water - Else
2. The method according to p. 1, characterized in that the acid used is citric acid. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислоты используют соляную кислоту. 3. The method according to p. 1, characterized in that the hydrochloric acid is used as the acid.

Images