ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА ПАЯННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В процессе производства ответственных компонентов высокотехнологичной радиоэлектронной аппаратуры широкое распространение получило гальваническое покрытие Никель-Медь-Серебро, толщина слоев которого регулируется конкретными условиями окружающей среды и требуемыми техническими характеристиками. Однако, в некоторых особо сложных и ответственных изделиях может возникнуть необходимость в межоперационной пайке, которая значительно осложняет нанесение финишного серебряного покрытия. В этой статье будут рассмотренны применяющиеся на практике методы нанесения Н.М.Ср. покрытия с межоперационной пайкой.

ABSTRACT

In the process of manufacturing critical components of high-tech electronic equipment, Nickel-Copper-Silver electroplating has become widespread, the thickness of the layers of which is regulated by specific environmental conditions and required technical characteristics. However, in some particularly complex and demanding products, there may be a need for interoperative soldering, which significantly complicates the application of a finishing silver coating. In this article, the methods of applying NM CP coating with interoperative soldering used in practice will be considered.

Ключевые слова: межоперационная пайка, паяемое покрытие, медное покрытие, серебряное покрытие, дефекты пайки.

Keywords: interoperative soldering, soldered coating, copper coating, silver coating, soldering defects.

ВВЕДЕНИЕ

Метод соединения различных деталей при помощи легкоплавких материалов-припоев получил широкое распространение в радиоэлектронной промышленности. Применение паянных соединений позволяет надежно соединять разнородные материалы прочным и устойчивым к влиянию окружающей среды соединением.

Тем не менее для особо ответственных приборов, в том числе и военного назначения, изначальной стойкости недостаточно. Необходимо дополнительно нанести защитно-функциональное покрытие драгоценным металлом, а именно серебром.

Цель данной работы: составить обзор и проанализировать уже существующие и ожидающие внедрения методы гальванической металлизации паянных соединений.

Объектом исследования является технологический процесс под названием «Покрытие Н.М.Ср., Хим.Н.М.Ср. корпусных деталей из алюминия и его сплавов с межоперационной пайкой». Предмет исследования состоит в анализе структуры объекта исследования, а также методов и средств его реализации.

Материалы и методы исследования

На первом этапе исследования был произведен сбор данных из печатных и электронных источников, а также опрос гальваников, работающих непосредственно с этой технологией. На втором этапе был выполнен анализ и группировка информации для получения краткой выжимки и выявления особенностей данного процесса.

Результаты и обсуждения

В результате проведенного исследования была подробно разобрана технология нанесения многослойного гальванического покрытия Н.М.Ср., которая состоит из следующих этапов:

1. Химическое обезжиривание.

В виду амфотерных свойств алюминия обезжиривание проводится не в стандартных щелочных растворах, а при помощи смоченного в изопропиловом спирте марлевого тампона. В виду токсических и наркотических свойств спирта операция проводиться строго под вытяжкой.

2. Химическое травление.

В виду амфотерных свойств алюминия химическое травление и снятие поверхностного слоя после механической или термической обработки выполняется в растворе натриевой щелочи.

3. Осветление.

При травлении алюминия и его сплавов в растворе щелочи в химическую реакцию вступает лишь непосредственно алюминий и его оксид, уходя в раствор в виде алюминатов. А легирующие компоненты или примеси в металле остаются на поверхности детали, ухудшая внешний вид и мешая проведению дальнейших операций. В связи с этим после травления необходима операция осветления, которая обычно проводиться в концентрированной азотной кислоте.

4. Цинкатная обработка.

На детали из алюминия и его сплавов практически невозможно напрямую нанести необходимое гальваническое покрытие, поэтому перед гальванической металлизацией их подвергают цинкатной обработке. В щелочном растворе цинката натрия поверхностный слой детали растворяется, а на его место контактным способом высаживается цинк, что обеспечивает хорошую адгезию последующим слоям.

5. Электрохимическое никелирование.

В качестве подслоя для последующих покрытий осаждается гальванический никель. Который обеспечивает хорошую адгезию для последующих слоев.

6. Электрохимическое меднение.

На слой никеля наносится слой паяемого медного покрытия из сернокислого электролита.

7. Межоперационная пайка.

В корпусную деталь впаиваются необходимые технические металл-стеклянные элементы при помощи оловянно-свинцового припоя.

8. Обезжиривание.

Остатки флюса и прочие органические загрязнения удаляются в щелочном растворе обезжиривания.

9. Травление.

Обработка детали в сернокислом растворе аммония надсернокислого для последующего покрытия.

10. Электрохимическое меднение.

Идет доращивание медного слоя до нужной толщины, а также закрытие медным слоем паянных швов.

11. Электрохимическое серебрение.

Финишное защитно-функциональное покрытие драгоценным металлом.

Таким образом нанесение гальванического покрытия Н.М.Ср. с межоперационной пайкой на алюминиевые детали сопряжено с множеством трудностей и особенностей как при подготовке, так и при самой гальванической металлизации. Однако в первую очередь представляют интерес проблемы, возникающие после межоперационной пайки. В следующем рзделе мы рассмотрим именно их, а также причины, приводящие к этим проблемам.

Межоперационная пайка.

Пайка - это метод соединения металлических деталей при помощи расплавленного припоя с относительно низкой температурой плавления. В этом методе соединения деталей первостепенное значение имеют взаимное растворение и диффузия основного металла, в данном случае медного покрытия, и припоя.

После нанесения паяемого покрытия и транспортировки детали на место работы в первую очередь проводится тщательная очистка при помощи соляной или плавиковой кислот и обезжиривание поверхности при помощи растворителей (бензин, ацетон или уайт-спирит).

После закрепления деталей начинается непосредственно пайка.

Факторы, приводящие к дефектам на последующем покрытии.

Как уже было сказано выше, перед нанесением финишного покрытия паянный шов (рис. 1) закрывается дополнительным слоем меди, который выравнивает поверхность и обеспечивает высокую адгезию с финишным серебряным покрытием.

Рисунок 1. Паянное соединение перед нанесением финишного покрытия

Именно на этом этапе происходит отбраковка наибольшего количества деталей по двум причинам:

1. Неравномерность травления припоя и медного покрытия.

2. Дефекты паянного покрытия.

Рассмотрим их более подробно.

Первая проблема появляется на стадии подготовки поверхности к нанесению второго слоя меди. Эта стадия включает в себя обезжиривание с целью удалить остатки флюса, жиров и прочих органических загрязнений и травление для снятия поверхностных оксидов и увеличения площади поверхности для лучшей адгезии. Протравить нужно не только медное покрытие, но и сам паянный шов.

Именно разность материалов приводит к большинству проблем. Медь травят в основном в персульфате и соляной кислоте, олово тоже в соляной, а для свинца существует множество травителей, к примеру уксусная кислота. Такое расхождение в свойствах материалов приводит к большим сложностям в выборе общего травителя для всех трёх компонентов.

Серная кислота растворит медь быстрее, чем протравит припой, уксусная кислота на меди почти не скажется.

Поэтому сейчас в основном используется не самый лучший, но компромиссный вариант в виде аммония надсернокислого, который все же не является идеальным вариантом.

Вторая проблема проявляется из-за возможности возникновения в процессе пайки дефектов, которые сами по себе могут значительно усложнить дальнейшее нанесение покрытия.

Дефекты бывают нескольких типов:

1. Влияющие на площадь поверхности припоя.

2. Влияющие на структуру поверхности припоя.

Дефекты первого типа - это разбрызгивание и растекание припоя. Они достаточно неприятны, поскольку напрямую увеличивают площадь плохо протравливаемого припоя (Рис 2, а, б.). Дефекты второго типа, влияющие на структуру поверхности припоя, несут куда большую опасность для дальнейшей гальванической металлизации(Рис 2, в, г.).

При пайке легкоплавкими припоями используется флюс, предназначенный для удаления оксидов с поверхности металлов, улучшения растекания припоя и защиты окружающей среды. Флюсы бывают разные, органические и минеральные. Наибольшее распространение получил флюс на основе спиртового раствора канифоли, который, если рассматривать его с точки зрения гальваники, является поверхностно активным веществом (ПАВ).

Безусловно после пайки происходит тщательная отмывка флюса в спиртовых растворах, ацетоне, бензине и прочих органических растворителях. Однако это не исключает возможности того, что часть канифоли осталась.

Она может находиться в микротрещинах паянного шва, в пузырьках газа, что попали внутрь при пайке. И при травлении она неизбежно выйдет наружу, не позволяя меди осадиться на паянный шов.

а.                                                          б.

в.                                                         г.

Рисунок 2. Дефекты паянного шва. (а. – наплыв и натеки припоя. б. – разбрызгивание припоя. в. – кристаллизация припоя. г. – пористость припоя)

Существующие методы осаждения.

У такой серьёзной проблемы существует целых три жизнеспособных решения:

1. Зачистка в процессе.

Этот метод распространён в качестве способа разбраковки при производстве деталей микроэлектроники. Если гальваник обладает достаточной квалификацией, то он может в процессе меднения выявить непрокрытия и предпринять действия для их исправления. Для этого он должен извлечь деталь, при помощи инструментов аккуратно зачистить непрокрытые участки при помощи лопаточки или ватной палочки, а затем завесить деталь обратно в ванную.

Такой метод позволяет получить качественное покрытие заданной толщины, однако весьма чувствителен к навыкам гальваника и, что самое главное, может занимать неоправданно много времени, растягивая технологический процесс в разы.

2. Нанесение толстого слоя

Если первый метод не помогает или невозможен по каким-либо причинам, то разумным выходом из ситуации будет дальнейшее наращивание медного покрытия до тех пор, пока медное покрытие не скроет образовавшиеся дефекты.

Исходя из выше сказанного, сам собой напрашивается значительный минус данного подхода, а именно нарушение заданных в чертежах толщин покрытия. Это в некоторых особо ответственных деталях может привести к изменению габаритных размеров, не говоря уже о перерасходе меди.

3. Аммальгамизация в нитрате ртути.

Третий и последний метод заключается в формировании на поверхности детали пленки ртути. Эта операция осуществляется путём погружения протравленной детали в раствор нитрата ртути (I или II), в процессе которой происходит контактный обмен между медным слоем и ионами ртути в растворе. Получившаяся в результате тонкая плёнка ртути способствует значительному увеличению адгезии садящегося на неё серебряного покрытия.

Так же следует учесть, что нанесенное на ртутный подслой серебряное покрытие обладает стойкостью к так называемой перепайке, которая представляет из себя неоднократные скачки температуры, вызванные многократной пайкой. Серебро без ртутного подслоя при таком режиме теряет адгезию и отслаивается от меди.

Таким образом существует три метода прикрытия паянных соединений, каждый из которых имеет серьёзные недостатки при минимуме преимуществ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом рассмотренная тема как в отечественной, так и зарубежной литературе, не получила достойного внимания. Тем не менее, процесс гальванической металлизации паянных соединений заслуживает пристального внимания, изучения и улучшения.

В настоящий момент существуют три способа нанесения гальванического на паянное соединение: зачистка в процессе, нанесение толстого слоя и амальгамирование. Эти три метода дают принципиальную возможность осаждения качественного металлического покрытия на паянное соединение.

Тем не менее, все три метода, имеют серьёзные недостатки, и применяются в производстве по причине своей альтернативности.

Список литературы:

1. Кравченко, Д. В. Способы подготовки поверхности алюминиевых сплавов для нанесения гальванических покрытий (обзор) / Д. В. Кравченко, И. А. Козлов, А. А. Никифоров // Труды ВИАМ. – 2021. – № 6(100). – С. 82-99. – DOI 10.18577/2307-6046-2021-0-6-82-99. – EDN YSTRTQ.
2. Требования к качеству паяных соединений SMD-компонентов. Определение и назначение. // Пеленг URL: https://peleng.by/sites/default/files/content/files/lib/7422-008/1.3/1.3.4.pdf (дата обращения: 14.07.2024).
3. ГОСТ 63193-1-2015 Системы оценки качества. Часть 1. Регистрация и анализ дефектов печатных узлов. – Введ. 2016-08-01.
4. Джуринский, К. Дефекты пайки коаксиальных радиочастотных компонентов в корпуса изделий и способы их устранения / К. Джуринский, Б. Либеров // Технологии в электронной промышленности. – 2016. – № 1(85). – С. 43-46. – EDN VKSTGF.
5. Жиликов, В. П. Особенности коррозии паяных соединений / В. П. Жиликов, В. С. Рыльников // Коррозия: материалы, защита. – 2012. – № 7. – С. 7-9. – EDN PAZTWD.
6. Ланин, В. Л. Паяемость выводов электронных компонентов / В. Л. Ланин // Технологии в электронной промышленности. – 2010. – № 4(40). – С. 27-31. – EDN MUGTVV.
7. И. Е. Петрунин, И. Ю. Маркова, А. С. Екатова. Металловедение пайки.. – М.: Металургия, 1976. – 264 с.
8. Груев И.Д., Матвеев Н.И., Сергеева Н.Г. Электрохимические покрытия изделий радиоэлектронной аппаратуры. Справочник.– М.: Радио и связь, 1988. – 304 с.