Контроль качества пайки проводов

Образование паяльных соединений и проверка их качества

Хорошо известная технология пайки металлических деталей и заготовок предполагает образование жёсткого соединения посредством применения специальных припоев.

При их расплавлении жидкие компоненты заполняют зазоры в смачиваемых поверхностях, а после кристаллизации образуют надёжный соединительный шов. Паяные соединения образуются в результате целого ряда химических реакций, протекающих в зоне контакта материала с припоем под воздействием флюса с последующим образованием газовой среды.

Причины дефектов

Необходимость во флюсе объясняется тем, что спайка металлических заготовок осуществляется при температурах, значение которых существенно ниже точки плавления самого металла.

Отсутствие этой составляющей считается нарушением технологии спайки, следствием которого могут образовываться явно различимые дефекты паяных соединений.

Применение специального флюса позволяет поднять температуру в зоне пайки и обеспечить диффузионную активность соединяемых материалов и, как следствие – получить качественное и достаточно надёжное паяное соединение.

Самым известным и распространённым нарушением технологии, возникающим из-за плохого качества флюса или ошибок в работе, является холодная пайка металла. Называется она так, потому что детали в месте соединения плохо прогреваются.

Одно из наиболее вероятных следствий этого дефекта – образование некачественных (бракованных) паяных швов, в результате чего изделие подвергается обязательной выбраковке.

Особенности применения пайки

Технологические особенности соединения деталей пайкой вполне совместимы с требованиями поточного производства определённых видов металлических изделий. К тому же они позволяют объединять в целое разнородные металлы и образовывать их сочетания с такими материалами, как:

  • стекло;
  • керамические и графитовые разновидности заготовок;
  • целый ряд других материалов неметаллического происхождения, трудно сплавляемых сварочными методами.

Поскольку в процессе пайки кромки обрабатываемых деталей не расплавляются – при данном способе их соединения удаётся сохранить начальную форму и размеры. Помимо этого, в условиях низких температур без труда удается сберечь структуру и характеристики соединяемых металлов.

Ещё одним бесспорным преимуществом пайки является возможность образования монтажных разъёмных соединений, благодаря чему этот метод широко востребован в радио- и приборостроении.

В ряде случаев паяные соединения получаются более надежными, чем при сварке в тех же рабочих условиях.

При грамотном сочетании обрабатываемых материалов и припоев качественные характеристики паяных соединений в разы превышают те же параметры для сварных сочленений.

Виды и обозначение

Известные виды паяных соединений классифицируются по таким признакам, как способ взаимодействия твёрдых и жидких фракций, условия образования соединений, применяемые при этом способы нагрева.

Согласно действующим нормативам и требованиям ГОСТ по типу взаимодействия на границе раздела припоя и металла отличают четыре способа образования спаев, различающихся характером диффузионных процессов.

В ряде рабочих режимов более существенным представляется деление по технике образования самого паяного соединения (способам и режимам формования паяльного шва).

Независимо от классификации этих процедур все они, в конечном счёте, сводятся к уже упоминавшемуся соединению твёрдых материалов в тепловых режимах с температурами ниже точек плавления.

Для документального оформления указанных выше различий разработан специальный стандарт под государственным номером 19249-73, регламентирующий их обозначение на технологических чертежах.

Дефекты и методы их контроля

Согласно действующим стандартам образуемые при пайке соединения должны удовлетворять определённым критериям качества, отдельно оговариваемым в регламентирующих документах.

При этом их качество определяется не только возможностями припоя и флюса, но и от соблюдением основных правил этого процесса.

Под правилами понимается грамотный выбор зазоров между соединяемыми заготовками, а также умение заполнять их именно в тот момент, когда расплавленный припой находится в оптимальном агрегатном состоянии.

Нарушение хотя бы одного из этих условий может явиться причиной образования дефектных паяных соединений, нередко классифицируемым как «холодна пайка».

Контроль качества получаемых паяных соединений является обязательной составляющей технологического процесса и предполагает два вида обследования: без разрушения и с разрушением образующегося шва.

Читайте также:  Как провести провод от генератора до аккумулятора

К первому из этих методов относится самостоятельное обследование дефектных зон путём их визуального осмотра, просвечивание рентгеновскими лучами, а также проверка герметичности паяного соединения под давлением.

При необходимости для этого могут применяться и более эффективные способы выявления раковин и непропаев, такие, например, как люминесцентная дефектоскопия.

При выявлении брака паяных швов с применением разрушающих методов контроля применяются такие приёмы, как:

  • испытание всех без исключения образцов изделий, проводимых с целью исследования свойств образующихся паяных соединений и их микроструктуры. В этом случае швы проверяются на предмет наличия в них микропор и микротрещин, а также включений различных окислов и загрязнений в самом припое;
  • выборочная проверка готовых деталей, осуществляемая методом разрушения полученного шва. Указанные действия проводятся с целью выявления коэффициента заполнения шва припоем, который при высоком качестве пайки должен иметь значение не менее 0,8.

Данный коэффициент вычисляется как отношение общей площади закрытия припоем к площади обрабатываемых частей металлических изделий.

К методу разрушающего контроля также относится выборочное обследование вырезанных из спаянной детали участков.

Появление дефектных образований в паяных швах чаще всего объясняется низкой квалификацией исполнителей этих работ, а также небрежностью при подготовке изделий под пайку.

В отдельных случаях это происходит по причине низкого качества материалов припоя (флюса) или же неисправности отдельных элементов применяемого оборудования.

Источник

Контроль качества паяных соединений

date image2015-05-14
views image5136

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Процессы контроля при монтаже ЭА включают:

– проверку соединяемых ма­териалов на паяемость,

– контроль тех­нологических режимов пайки,

– оценку качества соединений.

Паяемость характеризует способ­ность паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовы­вать надежное паяное соединение. Пая­емость зависит от физико-химической природы металлов, способа и режимов пайки, флюсующих сред, условий под­готовки паяемых поверхностей.

Поскольку для образования спая не­обходимо и достаточно смачивания по­верхности основного металла расплавом припоя, это гарантирует с физической стороны процесса паяемость, а с техно­логической условие соблюдения режимов процесса пайки. Паяемость метал­лов оценивают несколькими методами:

– замером площади растекания припоя и определением коэффициента астекания Кр:

где S, Sp – площади дозы припоя до и после растекания соответст­венно;

– определением Кр по высоте капли растекшегося припоя:

гдеH , Hр – высота капли припоя до и после растекания (рис. 3.27);

– краевым углом смачивания θ;

– по высоте или времени подъема припоя в капиллярном зазоре;

– по усилию, действующему на обра­зец металла, погружаемого в припой.

Рис. 3.27. Схема растекания капли припоя.

Высота капли до растекания нахо­дится из условия несмачивания по­верхности:

где ρ – плотность припоя;

g – уско­рение свободного падения.

Для измерения высоты капли припоя после растекания разработан прибор, в основу которого положен принцип бесконтактного измерения высоты ка­пли с помощью индуктивного преоб­разователя (рис. 3.28).

Рис. 3.28. Схема прибора для измерения высоты капли растекшегося припоя

Он содержит ин­дуктивный преобразователь 1, высо­кочастотный генератор 2, измеритель частоты 3 и регистрирующий прибор 4. В осевом отверстии катушки индук­тивного преобразователя жестко за­креплена игла 5 из материала, смачи­ваемого припоем 6. Игла устанавлива­ется на исследуемую поверхность образца 7, длина иглы должна превы­шать высоту капли припоя при полной несмачиваемости исследуемого мате­риала. Для расплавления навески при­поя используют нагреватель 8.

Перед началом испытаний в центре образца размещают навеску припоя дозированной массы 250мг и дозиро­ванный объем флюса (0,01 мл). Вклю­чают нагреватель и уста-навливают на заданном уровне температуру испыта­ний. С помощью секундомера фикси­руют начало и конец растекания кап­ли припоя, определяют частоту по по­казаниям прибора и, применяя по­строенную для данного материала но­мограмму, находят высоту капли рас­текшегося припоя, а затем коэффици­ент растекания припоя.

По критерию паяемости все много­образие современных паяемых мате­риалов различной физико-химической природы можно классифицировать на следующие основные группы: легкопаяемые, среднепаяемые, труднопаяемые и непаяемые (табл. 3.8).

Читайте также:  Если отключить провода от роутера

Табл. 3.8. Классификация материалов по паяемости.

Группа материалов Материалы Кр θ , град
Легкопаяемые Среднепаяемые Труднопаяемые Непаяемые Олово, золото, серебро, медь и ее сплавы Бронза, латунь, никель, цинк, стали малоуглеродистые Нержавеющая сталь, магний, алюминий, титан, молибден, тантал Керамика, стеклокерамика, ферриты, полупроводники 0,97 – 0,80 0,82 – 0,60 0,60 – 0,50 – 0 – 12 5 –20 20 – 40 120 – 160

Контроль качества предусматривает следующие виды оценки паяных со­единений:

– по внешнему виду с использованием эталона паяного соединения при 100 %-м контроле;

– прочности соединений на отрывпри выборочном контроле на об­разцах-свидетелях;

– переходного сопротивления контакта выборочно для различных про­водников;

– надежности соединения путем опре­деления интенсивности отказов в те­чение заданного срока испытаний.

Определение качества паяных со­единений по внешнему виду прово­дится путем их осмотра с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9 при увеличении в 8–56 раз. При этом соединения с гладкой блестящей по­верхностью без трещин и следов пере­грева, с полностью заполненным за­зором между паяемыми деталями, при угле смачивания 5–10° считаются высококачественными. Одновременно от­мечаются такие дефекты, как холод­ный непрогретый слой, избыток или недостаток припоя, короткозамыкающее паяное соединение.

Критериями оценки прочности пая­ных соединений являются: усилие от­рыва, устойчивость соединений при воздействии знакопеременных нагру­зок и вибропрочность. Оценку проч­ности на отрыв дают по среднему зна­чению усилия отрыва, которое для паяного соединения меди припоем ПОС61 при оптимальных режимах со­ставляет не менее 30 МПа. Устойчи­вость паяного соединения к воздейст­вию знакопеременных нагрузок харак­теризуют средним числом циклов кручения на угол φ = ±0,75 град/мм, средним числом цикла изгиба вывода на угол α = ±10° относительно платы с частотой 50–100 циклов в минуту при одновременном воздействии осевой на­грузки Р, равной 0,1–0,5, усилия ста­тического разрыва припоя (рис. 3.29).

Рис, 3.29. Схема приложения знакопеременных нагрузок:

1 — основа; 2 — припой; 3 — вывод

Вибропрочность оценивают интер­валом времени, в течение которого паяные соединения противостоят раз­рушению под действием вибрации с частотой 50–2000 Гц и ускорения, со­ответствующего максимальному уско­рению при нормальной эксплуатации аппаратуры.

Для изучения структуры припоя при­готавливают металлографические шлифы, которые исследуют с помощью микроскопов МИМ-7, ММР-2Р. Во время испытаний обращают внимание на то, что надежному паяному соеди­нению соответствует мелкокристалли­ческая плотная структура припоя, что свидетельствует об оптимальных ре­жимах процесса пайки и охлаждения. Путем химического травления мик­рошлифов паяных соединений выяв­ляют наличие диффузионной зоны между припоем и основным метал­лом, в зависимости от ее ширины су­дят о качестве соединения. При на­греве происходит глубокая взаимная диффузия основного металла и при­поя, частичное растворение (эрозия) металла в припое, что приводит к об­разованию в нем интерметаллидов, снижающих прочность соединения.

При недостаточном нагреве глубина диффузии чрезвычайно мала, проч­ность чисто адгезионного спая не обеспечивает требуемой надежности соединения. Исследования прочности на разрыв паяных соединений выво­дов из меди припоем ПОС 61 показы­вают, что достаточная прочность обес­печивается при ширине диффузионной зоны 0,8–1,2 мкм. Переходное сопро­тивление паяного соединения рассчи­тывается по падению напряжения ме­жду двумя точками, расположенными на расстояниях х и у от границы раз­дела соединяемых металлов, по урав­нению:

где U – измеренное напряжение;

I – сила тока, проходящего через соеди­нение;

Rx; Ry – сопротивления участ­ков х и у (рис.7.30). Измерения про­водят при постоянном токе, так как при переменном токе возникает по­верхностный эффект, увеличивающий погрешность. Переходное сопротив­ление надежного паяного соединения не превышает 2–3 мОм.

Рис.3.30. Схема измерения переходного сопротивления.

Интенсивность отказов позволяет количественно оценить надежность паяных соединений и показывает, ка­кая доля паяных соединений, рабо­тающих в момент времени t, выходит из строя в единицу времени после момента t:

где – плотность вероятности вре­мени безотказной работы;

– ве­роятность безотказной работы.

Читайте также:  Кабельный наконечник для провода пугв

За критерий отказа при испытаниях на надежность принимается полный обрыв соединения или увеличение па­дения напряжения на нем на один порядок. Примерный временной гра­фик проведения испытаний паяных соединений на надежность (рис.3.31) включает термоциклирование от +80 до -60 °С с длительностью цикла1 ч, отстой в нормаль-

Рис. 3.31. График испытаний на надежность:

1 — термоциклироаание; 2 — нормальные условия;

3 — на­грев до 80 °С; 4 — тропическая влажность.

ных условиях, нагрев до 80 °С и выдержку в атмосфере тро­пической влажности (98 % при 40 °С). Надежными считаются паяные соеди­нения, для которых суммарная интен­сивность отказов -8 ч -1 .

Дефекты в паяных соединениях (по­ры, раковины, трещины) могут быть обнаружены с помощью телевизионно-рентгеновского микроскопа МТР-3 либо ультразвуковым дефектоскопом. Ультразвуковой контроль основан на изменении структуры акустического по­ля частотой 0,5–25 МГц при наличии в паяном соединении дефектов, отра­жающих УЗ-колебания. Универсальные УЗ-дефектоскопы типа УДМ-1М по­зволяют обнаруживать и определять раковины, трещины, поры, расслое­ние и другие дефекты в паяных со­единениях.

Определенная часть дефектов, ино­гда до 60 % общего числа, может быть выявлена методом модуляции элек­трического сигнала. Он основан на свойстве дефектов паяных соединений служить модуляторами сигнала. Кон­трольная аппаратура включает генера­тор с регулируемым переменным на­пряжением частотой 10 – 100 Гц, блок индикатора, состоящий из двухкаскадного предварительного усилителя, детектора, указателя уровня, фильтра-пробки, настроенного на фиксиро­ванную частоту (например, 3,2 кГц), двухкаскадного усилителя, осциллогра­фа или громкоговорителя.

После настройки генератора на частоту фильтра-пробки контролируемую схему подвергают вибрациям, при этом любое изменение омического сопротив­ления соединения вызывает по­явление электрического сигнала другой частоты, отличной от частоты генератора.

Одним из перспективных ме­тодов объективного контроля паяных соединений является оценка распределения темпера­турных полей в электронном модуле. При его использовании кон­тролируемую плату подключают к ис­точнику питания и генератору им­пульсов фиксированной частоты. По­сле установления теплового равнове­сия плату со стороны паек сканируют инфракрасным датчиком, соединен­ным с тепловизором, который позво­ляет воспроизводить распределение температур по поверхности исследуе­мого изделия. Прибор обнаруживает зоны локальных перегревов, соответ­ствующие дефектным паяным соеди­нениям, которые имеют температуру на 1–5°С выше номинальной. В ка­честве датчика используют фотоболо­метры и другие ИК-детекторы. Тепло­визор ТВ-03 (СССР) имеет темпера­турное разрешение 0,2°С в диапазоне измеряемых температур 25 – 300 °С.

Повышение качества контроля пая­ных соединений достигается путем при­менения лазерной системы контроля дефектов (рис. 3.32).

Рис.3.32. Схема лазерного контроля паяных соединений.

С помощью ге­лий-неонового лазера устанавливают точное местоположение контролируе­мого элемента 3 в прямоугольной сис­теме координат передвижного столика 4. Контролирующие лучи генерирует мощный неодимовый лазер, который работает в области инфракрасного излучения. Длительность процесса тестирования задает микропроцессор, управляя шторкой 1. Если пайка каче­ственная, ее поверхность блестящая и однородная, то луч света, управляемый системой зеркал 2, полностью отражается.

Если структура пайки крупнокристаллическая, то она начи­нает поглощать энергию луча, нагре­вается и сама является вторичным ис­точником инфракрасного излучения. Собранное в линзах 5 и отраженное зеркалом излучение воспринимается ИК-датчиком 6, сигнал с которого анализируется с помощью микропро­цессора и подается на осциллограф в виде термограммы. С помощью лазер­ного контроля обнаруживаются такие дефектные соединения, как раковины, внутренние включения, поскольку они имеют меньшую массу и нагре­ваются по этой причине быстрее, чем сплошные паяные соединения. Разо­грев паяного соединения с помощью Nd-лазера выходной мощностью 6 Вт происходит за 50 мс. На установке La­ser Inspect фирмы Vanzetti Systems (США) удается контролировать около десяти паяных соединений в секунду, которые расположены на расстоянии 1,25 мм друг от друга.

Если в дополнение к лазерной установке предусмотреть ультразвуко­вой контроль, то можно определить и те дефекты, которые не могут быть обнаружены с помощью лазера. Автоматизированный контроль паяных со­единений с комбинированной лазерно-ультразвуковой системой позволя­ет увеличить производительность кон­троля паяных соединений печатных плат, для чего микропроцессору зада­ется программа расположения соеди­нений на плате.

Источник

Поделиться с друзьями
Блог электрика
Adblock
detector