Химическое лужение. Часть 1
Добрый день, уважаемые читатели.
Чуть ранее мы достаточно подробно рассказывали о способах подготовки меди и её сплавов, травления меди и её сплавов, а также практическим применении некоторых фотополимерных материалов. Сегодня мы продолжим наш разговор и поговорим о химическом лужении меди и её сплавов. В качестве примера практического применения рассмотрим химическое лужение печатных плат. Что бы было понятно о чем пойдет разговор для начала рассмотрим что из себя вообще представляют иммерсионные процессы.
Итак, иммерсионные процессы — это контактное восстановление металлов из их растворов на электроотрицательных поверхностях. При таком восстановлении происходит реакция замещения металла основы (в нашем случае меди) на металл из раствора (олово, сплав олово-висмут, серебро, золото и пр.). Если на осаждаемой поверхности образуется плотная металлическая пленка, то ее можно использовать в качестве функционального покрытия (например, в качестве финишного покрытия на печатных платах).
Так, например, для иммерсионного оловянирования достаточно просто опустить заготовку в водный раствор, содержащий хорошо растворимую соль олова (обычно — хлористое олово). Выделение олова на поверхности меди происходит при погружении в такой раствор соли олова, в котором потенциал меди более электроотрицателен, чем материал покрытия. Изменению потенциала в нужном направлении способствует введение в раствор соли олова комплексообразующей добавки — тиомочевины либо цианида щелочного металла.
Таким образом наиболее распространёнными составами для химического оловянирования являются составы, представленные на фото ниже
Если же рассматривать представленные составы для домашнего, а не промышленного применения, то можно отметить, что состав под номером 3 не подходит для домашнего использования т.к. содержит достаточно токсичный цианистый калий. В качестве основных экспериментальных растворов для данной статьи использовались несколько модернизированные растворы под номерами 1 и 2. Итоговые растворы имели следующий состав:
1. Раствор №1
- Двухлористое олово — 20 г/л;
- Тиомочевина — 70 г/л;
- Серная кислота — 120 мл. 30% раствора;
- Натрий молочнокислый — 150 г/л;
- Вода дистиллированная — до 1 л.
Раствор готовится следующим образом: в 0.5 литрах дистиллированной воды растворяется 150 г. молочнокислого натрия; после полного растворения раствор нагревается на водяной бане до температуры 50-60 градусов Цельсия; присыпается 70 г. тиомочевины и перемешивается до полного растворения; далее приливается 120 мл. 30% раствора серной кислоты и снова перемешивается; добавляется 20 г. двухлористого олова и перемешивается до полного растворения; дистиллированная вода доливается до получения объёма 1 литр; раствор тщательно перемешивается и оставляется остывать до комнатной температуры. После полного остывания раствор переливается в герметичную тару и хранится без доступа воздуха и прямых солнечных лучей. Готовый раствор прозрачный, имеет соломенно-жёлтый цвет и небольшой запах молочной кислоты.
2. Раствор №2
- Двухлористое олово — 20 г/л;
- Тиомочевина — 40 г/л;
- Серная кислота — 120 мл. 30% раствора;
- Гидроксид натрия — 6 г/л;
- Вода дистиллированная — до 1 л.
Данный раствор готовится так же и в том же порядке что и предыдущий, но вместо натрия молочнокислого используется гидроксид натрия. Готовый раствор практически прозрачен (с небольшим желтоватым оттенком). Хранится значительно хуже, чем первый. Не удивляйтесь присутствию в составе одновременно гидроксида натрия и серной кислоты - образующийся сульфат натрия выполняет роль буферной добавки.
Вживую процесс лужения указанным составом выглядит вот так:
3. Раствор №3
- Двухлористое олово — 20 г/л;
- Тиомочевина — 50 г/л;
- Винная кислота — 40 г/л;
- Вода дистиллированная — до 1 л.
Раствор готовится следующим образом: в 0.5 литрах дистиллированной воды растворяется 40 г. винной кислоты; после полного растворения раствор нагревается на водяной бане до температуры 50-60 градусов Цельсия; присыпается 50 г. тиомочевины и перемешивается до полного растворения; далее добавляется 20 г. двухлористого олова и перемешивается до полного растворения; дистиллированная вода доливается до получения объёма 1 литр; раствор тщательно перемешивается и оставляется остывать до комнатной температуры. После полного остывания раствор переливается в герметичную тару и хранится без доступа воздуха и прямых солнечных лучей.
Готовый раствор прозрачен, оттенка не имеет. Хранится в целом неплохо. Через месяц хранения на дне выпадают красивые кристаллы хлорида олова (см. подборку фото ниже), растворяющиеся при нагревании раствора на водяной бане.
4. Раствор №4
- Двухлористое олово — 20 г/л;
- Тиомочевина — 50 г/л;
- Винная кислота — 40 г/л;
- Гипофосфит натрия — 6 г/л;
- Вода дистиллированная — до 1 л.
Способ и порядок приготовления данного раствора аналогичен раствору №1, но вместо серной кислоты используется винная кислота, а вместо натрия молочнокислого — гипофосфит натрия в указанных концентрациях. Готовый раствор прозрачен, оттенка не имеет. Хранится в целом неплохо.
Вживую процесс лужения указанным составом выглядит вот так:
После приготовления описанных выше растворов, а так же выдержки в закрытой таре в течение одного месяца (в целях наблюдения за стабильностью растворов) был проведён ряд сравнительных экспериментов. Для проведения экспериментов было подготовлено 5 заготовок, разделённых на 6 одинаковых независимых зон (см. подборку фото ниже).
Каждая заготовка была покрыта одним из составов химического лужения, описанных выше. В качестве эталонного раствора использовался промышленно изготовленный состав, продаваемый под брендом «Жидкое олово». Температура растворов — комнатная. В каждом растворе заготовка выдерживалась 30 минут с перемешиванием раствора каждые 10 минут. После этого заготовка ополаскивалась водой, промывалась 3% раствором щёлочи, снова тщательно промывалась водой для отмывки остатков щелочи. В самом конце заготовка насухо вытиралась бумажной салфеткой.
После подготовки необходимого количества заготовок на каждую заготовку по зонам был нанесён различный флюс либо паяльная паста. Это выполнялось в следующем порядке (считая сверху вниз): первая зона — концентрированный раствор канифоли в изопропиловом спирте; вторая зона — чистый глицерин; третья зона — активный флюс Multicore Hydro-Х/20, четвёртая зона — паяльная паста Multicore (Henkel) WS200; пятая и шестая зоны — не наносилось ничего.
После этого все заготовки были пропущены через конвекционную печь с типовым температурным профилем для оплавления паяльных паст. Далее заготовки были тщательно отмыты изопропиловым спиртом, а так же водой, хорошо просушены струёй теплого воздуха. Заготовки на фото расположены согласно номерам растворов для химического лужения, считая справа налево.
С первого взгляда может показаться, что на фото творится какой-то ужас, но попробуем разобраться что же произошло и чем нам это может помочь в реальной практике. Изначально следует отметить, что результат со всеми растворами химического лужения получился практически идентичным т.е. характеристики покрытий, получаемых в разных рецептурах практически идентичны друг другу (что не удивительно, учитывая механизм получения подобных покрытий).
1. Итак, по первой зоне отлично видно, что при нагревании выше 200 градусов Цельсия канифоль способна не только удалять окислы со спаиваемых поверхностей и обеспечивать необходимую смачиваемость, но и корродировать осаженное химически олово. Основной состав канифоли — смоляные кислоты (80-90% из которых составляет абиетиновая кислота). Наиболее сильное корродирование отмечается на заготовке, покрытой составом №5 т.е. заводским жидким оловом.
Такое поведение может стать проблемой при пайке компонентов на печатную плату с использованием жидкой спиртоканифоли (и подобных ей флюсов) и паяльного фена. В этом случае канифоль будет растекаться и возможно образование подобных участков вокруг паяного соединения. При использовании же твёрдой канифоли и паяльника (паяльной станции) подобной проблемы не возникает т.к. время нагрева зоны пайки, а соответственно и время повышенной активности флюса значительно ниже.
Кроме того в очередной раз подтверждается давно известный факт — всегда необходимо отмывать с поверхности печатных плат любые остатки флюса для устройств, работающих при повышенных температурах и влажности (несмотря на то, что при комнатной температуре и относительно небольшой влажности канифоль считается защитным покрытием). А при необходимости нанесения защитных лаков и компаундов производить тщательную отмывку придется в любом случае.
2. Во второй зоне экспериментальных заготовок был нанесён глицерин. Глицерин по химической природе — спирт, бесцветная вязкая жидкость. Отличительной чертой глицерина является его высокая гигроскопичность т.е. способность поглощать воду из атмосферы. Несмотря на то, что глицерин использовался в максимально доступной концентрации (99.5%), всё же небольшое количество воды в нём присутствовало. Именно этим можно объяснить локальное окисление покрытий в местах скопления капель глицерина. Ни на одной из заготовок покрытие не было как-то ощутимо повреждено.
Подобная низкая химическая активность по отношению к покрытию была бы неплохим основанием для использования глицерина в качестве основы для флюсов (что часто и делается), если бы не одно НО — он гигроскопичен. Суть в том, что материал печатных плат представляет из себя достаточно пористый материал, «неплохо» впитывающий и удерживающий в порах остатки используемых флюсов. При этом мне, например, неизвестны даже промышленные способы надёжной отмывки остатков глицериновых флюсов с печатных плат (особенно из под микросхем и надёжного вымывания из пор поверхностных слоёв печатных плат). Если обобщить 2 этих факта, то получается не особо хорошая картина — не до конца отмытые остатки глицерина со временем будут напитывать из воздуха влагу, что явно ни к чему хорошему не приведёт ни в сигнальных цепях с высоким сопротивлением, ни с точки зрения коррозии.
В связи с этим я бы не рекомендовал использовать глицерин и флюсы на основе глицерина для ручной пайки печатных узлов в домашних условиях (несмотря на то, что они очень популярны).
3. В третьей зоне был нанесён активный флюс Multicore Hydro-Х/20. Само собой, благодаря своей активности данный флюс достаточно сильно корродировал оловянное покрытие.
Однако, подобного эффекта в реальности стоит опасаться при использовании подобных активных флюсов при пайке радиокомпонентов на печатные платы с использованием паяльного фена. Аналогично зоне со спиртоканифолью флюс может растекаться по плате и образовывать подобные участки вокруг паяных соединений. Кроме того, при ручной пайке с использованием данного флюса такой проблемы не возникает.
Тут не стоит забывать о том, что любые активные флюсы требуют обязательной полноценной отмывки после окончания монтажа. Для описанных в статье покрытий отмывку необходимо произвести в течении суток после начала монтажа печатного узла. В противном случае на поверхности покрытия возможно появление темных участков окисляющегося олова.
Данным флюсом для выводного монтажа (монтажа в отверстие), а также монтажа SMD компонентов на печатные платы мы пользовались на производстве более 10 лет и при должном применении он даёт отличный результат.
4. В четвёртой зоне была нанесена паяльная паста Multicore (Henkel) WS200. Данная паста изготавливается на основе припоя, содержащего свинец. После пайки остатки флюса требуют обязательной отмывки (т.е. флюс является активным). По четвертой зоне хорошо видно, что паяльная паста оплавилась в целом неплохо. В связи с этим возможно использование описанных выше покрытий для пайки с использованием паяльных паст. Но при этом нужно правильно нанести паяльную пасту на контактные площадки — вся площадь площадки должна быть покрыта слоем паяльной пасты т.е. наносить пасту лучше всего через специализированный трафарет (методом трафаретной печати).
5. В пятой и шестой зоне не наносилось никаких паяльных паст и флюсов — они были оставлены для экспериментов по ручной пайке и лужению. По представленным выше фото хорошо видно, что покрытие при прохождении через печь практически не пострадало — немного окислилось в местах попадания флюса из зоны с паяльной пастой и загрязнилось испаряющимися остатками флюса.
Несмотря на это по данному покрытию лужение дорожек с использованием флюса Multicore Hydro-Х/20 и припоя ПОС-61 не представляет сложности и производится без каких-либо проблем. Так же хорошо удаётся выполнить и монтаж радиокомпонентов (см. подборку фото ниже)
Подводя итог можно сделать вывод о том, что использование для химического лужения описанных составов позволяет получить достаточно неплохо паяемые покрытия и хороший внешний вид конечных печатных узлов (несмотря на имеющиеся мелкие недостатки вроде необходимости покрытия законченных узлов защитным лаком или компаундом т.к. иммерсионные покрытия по своему назначению защитными не являются).
Если при нанесении покрытий итоговые покрытия получаются рыхлыми (стираются ватным тампоном или ХБ тканью при протирке) либо появляются белёсые матовые пятна (похожие на размазанный пластилин), то в 80% случаев поверхность перед осаждением покрытия была подготовлена некачественно. В остальных 20% случаев виноват сам раствор для осаждения покрытия (раствор слишком загрязнён либо истощился). В таких ситуация в итоге платы будут выглядеть так, как это показано в подборке фото ниже.
Выход из данной ситуации всего 1 — удалить механически (мелкой наждачной бумагой) получившейся слой, повторно подготовить поверхность и провести повторное осаждение в свежем растворе.
Ну и в качестве небольшого отступления на закуску — в домашних условиях возможно получение не только оловянного покрытия и сплава олово-висмут, но и, например, олово-свинец и некоторых других.
А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!