Александр Парфенов, к. т. н.

О паяльных флюсах, ионогенной патологии и сэре Уильяме Шекспире

    Озабоченность различных специалистов проблемой надежности электронной аппаратуры, связанной с технологией пайки, имеет свою причину. Пайка, как наиболее массовая операция, является тем этапом построения коммутационных схем, на результаты которого можно списать все огрехи других технологических процессов, в том числе и технологии химико-технологической обработки, а ряде случаев даже потребовать их исправления (обрывы металлизации). А если не получится, значит, не тот выбран флюс и не так выполнена пайка… Известна масса публикаций, в которых специалисты широкого профиля, плохо представляющие себе сущность физико-химических и электрохимических процессов при пайке, пытаются обозначить свою причастность к данной проблеме демонстрацией известных практических случаев, неординарных фактов и просто химических опытов, описаниями которых обычно изобилуют лекции по технике безопасности. Тут возникают два извечных вопроса: «Что делать?» и «Кто виноват?»

Если на последний вопрос ответ всегда ясен, то с первым ситуация гораздо хуже: наблюдается полное непонимание причин и путей его разрешения [1]. Потому и рождаются на производстве постоянные планы оргтехмероприятий «по поводу…» до очередного случая. И дело здесь не в простых заблуждениях, поскольку в науке и технике есть достаточное число ортодоксальных теоретиков, пытающихся вернуть нашему хронически больному производству «дедовский» прагматизм.

Автор отнюдь не собирается излагать свою точку зрения. Напротив, он считает необходимым предельно понятно и однозначно (в рамках сегодняшней теории) с позиции профессионала ответить на ряд вопросов, связанных с процессом пайки, используя уже укоренившиеся в сознании производителей понятия.

В середине 80-х годов теперь уже прошлого века производители с абсолютной очевидностью пришли к выводу о необходимости разработки двух новых типов флюсов: водосмываемых и с неудаляемыми остатками. Их актуальность с точки зрения трудоемкости производства, пожаровзрывобезопасности и экологии окружающей среды не требует пояснений. Сегодняшний технический уровень отечественного производства не в состоянии обеспечить выполнение методологии, технологии и контроля ионной очистки в соответствии, например, с требо- ваниями корректного американского стандарта IPC-S-815, не говоря уже о том, что ни одно отечественное производство электронной техники не соответствует требованиям поддержания ПДК вредных веществ на уровне ГОСТ 12.1 005-88 и предписанном Приказом Минздрава России № 90 от 14.03.96 г.

В данном случае следует согласиться с эпилогом работы [1] в части «осознанного подхода к выбору флюсов», да вот незадача: «А судьи кто?» По известной мировой промышленной номенклатуре подавляющее большинство паяльных флюсов по химическому составу представляют собой обыкновенные болтушки, и только квалифицированный химик- органик может априори «полагать», что образующиеся при смешении этих реагентов вещества и продукты их реакции с оксидами могут быть химически инертными или «испаряемыми», но уж никак не «абсолютно безвредными». Что же касается новых композиций, то их состав, увы, является предметом «ноу-хау», а имеющиеся в сертификатах сведения относят нас к другой литературной цитате: «Не верь написанному» (Козьма Прутков).

К глубокому сожалению, уровень технической подготовки специалистов по пайке в области физической и органической химии был и остается в нашей стране крайне низким. Не лучше дело и за рубежом, с той лишь разницей, что состоятельные фирмы могут подключать к этим работам научные кадры из коллед- жей химического профиля. Однако это не означает, что в нашей стране и за рубежом нет высококвалифицированных специалистов, способных решать подобные задачи. Такие решения публикуются в специальных изданиях (например, «Физика и химия обработки материалов» и т. п.), к сожалению, мало доступных рядовому технологу. Поэтому к рекламе следует относиться как к рекламе, а не наводить тень отца Гамлета на российский плетень. Игнорировать более чем десятилетний мировой опыт использования этих материалов, по меньшей мере, безответственно. Кроме того, пословица: «Доверяй, но проверяй» предполагает проведение принципиальной оценки достоверности результатов апробирования.

Аргументация же в [1] далеко не убедительна: как под лаком оказались «ионогенные загрязнения»? Что это за технология, которая их допускает? Иными словами, возвращаемся к упомянутому уровню отечественного производства. А нас хотят убедить: мойте дедовским способом, вручную, то есть размазывайте остатки по всей поверхности и загоняйте в естественные капилляры.

Как могло возникнуть осмотическое давление? Очевидно, в одном из двух случаев: либо плата представляет собой влагонасыщенный диэлектрик с текстурой ДСП, либо пленка лака не просто проницаемая, а худая, — откуда же под ней изначально образовался раствор? Если через нее постоянно «просачивается» влага, кому нужен такой лак? И вообще, о каких загрязнениях идет речь? Вода является растворителем далеко не для всех реагентов, в особенности для продуктов реакции.

Каким образом на плате появилась чистая медь, вызвавшая рост дендритов? Такие платы давно не производят. В наше время плата закрыта оловянно-свинцовым сплавом или солдер-маской. Раньше платы действительно иногда изготавливали по негативной технологии с использованием серебра или палладия в качестве резиста или барьерного покрытия, да и то только в случае флюсов, содержащих галогены. В оловянно-свинцовом сплаве оба эти элемента стоят в ряду напряжений до водорода. Именно последний и разряжается на катоде. Вероятность возникновения поляризационной ЭДС (аккумулятор) в органических кислотах равна нулю, поскольку требуется предельно высокая концентрация соли при электролизе раствора.

«Пессимист, — говорил С. П. Королев, — в каждом деле просто необходим». Но этот пессимист никоим образом не должен чинить препятствия или ставить подножку на пути нашего производства, пытающегося вскочить в последнюю дверь последнего вагона уходящего экспресса технического и экономического развития.

Теперь коротко о новых флюсах. Действительно, основу неудаляемых флюсов составляют природные или синтетические смолы. Смола — это не смесь органических кислот, а олигомер или поликонденсат. Канифоль как продукт биологической жизнедеятельности есть поликонденсат аминокислоты, о чем свидетельствует ее химическая нейтральность как биполярного иона. Растворы канифоли (в отличие от расплава) проявляют достаточную активность уже при комнатной температуре, а не при 170 °С, и ее не следует путать с температурной зависимостью снижения поверхностного натяжения припоев. Существенной проблемой «активационного синтеза» канифоли является неизвестность длины цепей и их числа в единице объема. Крайне трудно подобрать и действенный активатор, поскольку его самопроизвольная реакция по протонированной аминогруппе не приводит к увеличению активности. Двухосновные реагенты присоединяются только по активационному механизму, поэтому при неизотермическом процессе пайки неизбежно образование свободных реакционных «хвостов» или групп и гидролизируемых продуктов реакции.

Химика в отличие от физика интересует не термодинамическая, а кинетическая устойчивость вещества, поскольку любая термодинамически устойчивая молекула может свободно прореагировать в атмосфере с образованием углекислого газа и воды. Именно поэтому для флюсов с неудаляемыми остатками принципиально получение устойчивого конечного продукта, не только не вызывающего коррозии, но и обладающего защитными свойствами. Поэтому любой химический синтез всегда начинается с конца, от которого ведется переход к исходным ингредиентам.

Существуют два типа химического взаимодействия: самопроизвольные реакции, протекающие под зарядовым контролем (кулоновское взаимодействие), и реакции под орбитальным контролем (образование ковалентной связи). Последние, как правило, являются термически активированными и принципиальны для получения кинетически устойчивых конечных продуктов. Реакции под зарядовым контролем должны протекать только в «уходящих» группах. В связи с этим такие флюсы являются термически поликонденсируемыми и используются в определенном температурном режиме, обеспечивающем получение влагозащитной термостойкой (~100 °С) полимерной пленки толщиной 2…5 мкм, с сопротивлением изоляции не хуже 1010 Омoсм. Принципиальное значение имеет совместимость этой пленки без удаления с влагозащитными уретановыми, эпоксидными и эпоксиэфирными лаками, в особенности, если имеется возможность сополимеризации при наличии хорошей адгезии пленки к металлу и диэлектрику (например, флюс ФПС-6).

При ручной пайке такие флюсы дают недополиконденсированные слои с сопротивле-нием изоляции во влажной атмосфере 108 Омoсм, что совершенно нормально, хотя иногда они имеют «неопрятный» внешний вид и склонность к частичному гидролизу по пептидным связям. Последующее лаковое покрытие полностью устраняет этот недостаток.

Специально для ручной пайки, ремонта и доработки изделий (по классификации автора) разработана «нормально конденсирующаяся композиция» при комнатной температуре. Время превентивной конденсации на отлип при 20 °С составляет от 30 с до 10 мин в зависимости от количества нанесенного флюса, а полная конденсация наступает через 3 часа с образованием совместимой с лаками прозрачной пленки. Именно для данной композиции имеет значение азеотропность растворителя с продуктом поликонденсации (водой) для постоянства состава уходящей группы из «квазикипящей» смеси при неизменности давления паров в смысле закона Рауля (флюс ФПС-6 НК).

Для тех, кто все же желает удалять остатки этих флюсов, проникнувшись доверием к спирто-бензиновой смеси и, главное, к двум радикальным решениям этой проблемы в статье [1], могу гарантировать лишь новые проблемы: поликонденсированные остатки надежно удаляются только в специальных растворителях типа «Прозон», а не в квазиэлектролитических диссоциантах. В противном случае вас ожидает «большая стирка». Впрочем, при этом радикально решается проблема «занятости», в особенности на операции ополаскивания в деионизированной воде, которая после первой же промывки перестает быть «таковой», еще не понимая своей, обратной зависимости степени диссоциации ионогенных загрязнений от их концентрации в гетерогенном растворе. Не слишком ли много научных проблем для «дедовского производства»? Кто мешает использовать стандартный флюс ФКСп? И где элементарная логика, если для этих целей есть совершенно иной тип флюсов?

Такие водосмываемые композиции, напротив, ориентированы на реакции под зарядовым контролем для обеспечения легкости гидратации и растворения остатков. Однако в них присутствуют и реакции под орбитальным контролем, связывающие продукты реакции в аквакомплексы, скажем, хеллатного типа, с целью не допустить хемосорбции и пиролиза продуктов на поверхности. С этой целью автором использованы специфические лиганды оксипроизводных комплексообразователей (индекс флюсов — «ЛО», «ЛОК»), обеспечивающие, в отличие от зарубежных композиций, абсолютную водорастворимость остатков даже в нестационарных режимах пайки [2].

Читателя, профессионально интересующегося этой проблемой, автор приглашает принять участие в международной конференции «Пайка на рубеже веков», которая состоится 12–13 октября в Москве и организована ЦРДЗ. Из трех научных докладов автора два — посвящены этим проблемам [3]. За истекшие 12 лет автором было разработано порядка двух десятков новых технологических материалов. Большинство этих материалов постоянно используется в промышленности, и за эти годы не было зарегистрировано ни единого случая отказа аппаратуры по сопротивлению изоляции и электрохимической коррозии. География применения материалов такова: Томск, Новосибирск, Каменск-Уральский, Екатеринбург, Пенза, Казань, Рязань, Ставрополь, Курск, Тула, Калуга, Минск, Псков, Великий Новгород, Санкт-Петербург и Москва. Все материалы имеют ТУ Государственной регистрации с соответствующими разделами по технике безопасности и охране окружающей среды и согласованы с ведущими оборонными предприятиями страны.

Успех внедрения материалов связан не столько с разработкой, сколько с безусловным выполнением технологических указаний и соблюдением технологической дисциплины, а главное, с наличием сохранившейся на предприятиях когорты настоящих технологов, которым незачем переквалифицироваться в домоуправы.

Когда автор работал на протяжении ряда лет в Совете главных технологов 9-го ГУ, ему неоднократно приходилось сталкиваться с определенными техническими службами предприятий, которые, проявляя известную деловитость в плане утверждения собственной значимости, всегда заводили производство в тупик в вопросах, плохо освещенных теоретически. Наука и производство — вещи принципиально разные: последнее ограничено техническими возможностями и сроками адаптации. Тезисы типа: «А вдруг?..» ориентируют его на безысходность. Нельзя жить в постоянном страхе. Нужно когда-то ставить точку, Заниматься же анализом надежности паяных соединений на предприятиях, где процветает попустительство, определяющее это самое «А вдруг?..», — дело совершенно безнадежное.

Хотелось бы остановиться на термине «ионогенные загрязнения». Смысл этого наукоемкого определения неадекватен проблеме. Если попытаться неким образом изменить определение Комитета американского общества по генетике (1974 г.), то понятие ионогенности должно представлять некий коммуникативный процесс, связанный с появлением (или риском) определенных дефектов и отказов с характерными феноменологическими признаками. Практическая реализация этой задачи должна представлять разработку табулированной или компьютерной системы дифференциальной диагностики работоспособности изделий. В таком случае есть смысл использовать этот термин для анализа своего рода патогенеза развития дефектов от остатков конкретных ионов. Тогда разработчик техпроцесса или технологического материала имел бы реальные представления в сфере своего рода прогнозируемой диагностики собственной разработки (до ее появления), а в ходе последующих типовых испы- таний можно было бы осмысленно констатировать патогенез развития дефектов и дать классификацию иных дефектов, вызванных совместным действием данных ионов и окружающей среды, включая их плейотропию (множественное проявление сопутствующих дефектов с неизвестными причинами). Это была бы действительно революция в области «патологии отказов».

В заключение автор хотел бы принести заведомые извинения за резкость и бескомпромиссность суждений. Видите ли, наука — дело принципа. В ней каждый должен заниматься своим делом. Тогда не будет стыдно за то, что, изучая десятилетиями в муках научного творчества причины позеленения меди в этаноловых растворах канифоли, никто не удосужился заглянуть в учебник 10-го класса средней школы.

А при чем же здесь сэр Уильям? Да притом, что, цитируя тоже сэра, но химика, лауреата Нобелевской премии, — сэра Р. Робинсона, «все мы дышим одним и тем же воздухом, который однажды выдохнул Шекспир. Другого просто нет!» Поэтому во всем мире в науке существует одно видение проблем и одни и те же задачи, несмотря на различия в подходе («жанре»). Ортодоксальность решения этих задач, в отличие от героя трагедии, приводит к трагедиям далеко не литературным, если мы, конечно, хотим, чтобы наша электронная продукция по себестоимости и качеству была хотя бы адекватна той самой зарубежной рекламе. Пока как-то не получается… Очевидно, потому, что научная выверенность тезиса «лучше, чем ничего» удивительно гармонирует со впечатляющей наработкой на отказ в «эпитафии» к статье [1].

Литература

1. Медведев А. М. Монтажные флюсы. Смывать или не смывать. «Компоненты и технологии», № 4, 2001. Стр. 96.
2. Парфенов А. Н. Технологические материалы для поверхностного монтажа. «Электронные компоненты», № 4, 1999.
3. Парфенов А. Н. Феноменологическая теория смачивания и растекания расплавов. О термокинетических и термически активируемых процессах в теории синтеза органических композиций флюсов и паяльных паст. В материалах сб. международной конференции: «Пайка на рубеже веков». ЦРДЗ, М октябрь 2001.

Александр Парфенов