Паяльная паста — вязкая смесь мелкодисперсных частиц припоя и флюсовой матрицы. Её наносят на контактные площадки печатной платы перед установкой SMD-компонентов, а после прохождения через конвейерную печь металлические частицы сплавляются с металлизацией платы, образуя паяное соединение. Без пасты автоматическая сборка печатных плат невозможна: она удерживает компонент на месте за счёт собственной липкости (tack) до входа в печь, обеспечивает нужный объём металла в соединении и через флюсовую составляющую удаляет оксидную плёнку с контактных площадок и выводов компонентов. Паяльная паста применяется в бытовой и промышленной электронике, светодиодном освещении, авиационной, медицинской и военной аппаратуре. На серийном производстве её наносят через трафарет или автоматическим дозированием; при ремонте и прототипировании — вручную из шприца.
Из чего состоит паяльная паста
Паяльная паста состоит из металлического наполнителя и флюсовой матрицы плюс ряд вспомогательных компонентов.
Металлический наполнитель — порошок из оловянного сплава: свинцового (Sn63Pb37, Sn60Pb40) или бессвинцового (SAC305, Sn99.3Cu0.7 и другие). Частицы сферической формы получают распылением расплава в инертной атмосфере. Массовая доля металла в типичной пасте — 85–92%, что соответствует объёмной доле 45–57%. Чем выше металлосодержание, тем больший объём соединения формируется после оплавления, но тем выше и вязкость.
Флюсовая матрица — смоляная основа (канифоль или синтетические смолы) с активаторами (органические кислоты, галогениды), реологическими модификаторами и растворителями. Активаторы удаляют оксидную плёнку при нагреве, реологические добавки задают нужную вязкость и тиксотропию, растворители испаряются в процессе нагрева и контролируют скорость этого испарения. Флюс также защищает расплавленный металл от повторного окисления в момент пайки.
Вспомогательные компоненты — поверхностно-активные вещества и стабилизаторы — отвечают за срок годности и однородность пасты при хранении.
Чем паяльная паста отличается от флюса
Флюс входит в состав паяльной пасты, но сам по себе — совсем другой материал: он не содержит металла и паяного соединения не образует.
Жидкий флюс наносят распылением или кистью перед волновой пайкой, флюс-гель применяют при ремонте BGA и рибоулинге, флюс в сердцевине трубчатого припоя сгорает при касании паяльником. Во всех этих случаях флюс только активирует поверхность и улучшает смачивание — металл приходит отдельно.
Паяльная паста объединяет флюсовую матрицу и порошок припоя. При оплавлении флюс активирует поверхности, а металлические частицы сплавляются между собой и с металлизацией платы. Если нанести флюс вместо пасты — соединения не будет. Если использовать пасту там, где нужен только флюс (например, перед волновой пайкой сквозных компонентов), — получите шарики припоя и перемычки.
Виды паяльной пасты
Паяльные пасты классифицируют независимо по четырём признакам: состав сплава, тип флюса, размер частиц и метод нанесения. Это важно понимать, потому что каждая ось классификации отвечает на отдельный вопрос при выборе.
Свинцовые и бессвинцовые пасты
Эвтектика Sn63Pb37 плавится при 183°C — строго фиксированная точка без зоны пластичности. Пик оплавления при этом 210–230°C, технологическое окно широкое, смачивание меди и никеля хорошее. По этим причинам свинцовые пасты традиционно считаются более «прощающими» при отклонениях профиля.
SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5) — основной бессвинцовый сплав — имеет ликвидус 217–221°C и требует пика 245–260°C. Механическая прочность соединения выше свинцово-оловянного, но профиль нужно выдерживать точнее, а компоненты должны допускать более высокую пиковую температуру. Переход на бессвинцовые пасты диктует директива RoHS, обязательная для потребительской и промышленной электроники в ЕС, Японии, Южной Корее и большинстве других рынков. Для военной, авиационной и ряда медицинских изделий свинцовые сплавы остаются допустимыми.
Среди бессвинцовых вариантов кроме SAC305 применяют SAC405 (больше серебра — прочнее, дороже), Sn99.3Cu0.7 (без серебра — бюджетный), а также модифицированные SAC-сплавы с добавками никеля, германия, висмута.
Тип пасты по размеру частиц (Type 3–7)
Тип паяльной пасты по J-STD-005 — это гранулометрический класс: чем больше номер, тем мельче частицы и тем более мелкий шаг компонентов поддерживается.
| Тип | Размер частиц, мкм | Минимальный компонент | Толщина трафарета |
|---|---|---|---|
| Type 3 | 25–45 | 0402 и крупнее | 130–150 мкм |
| Type 4 | 20–38 | 0201, fine-pitch QFP 0,5 мм | 100–130 мкм |
| Type 4+ | 20–36 | 0201 (компромисс перед Type 5) | 100–120 мкм |
| Type 5 | 15–25 | 0201, μBGA шаг ≤ 0,4 мм | 80–100 мкм |
| Type 6 | 5–15 | 01005, flip-chip | 50–80 мкм |
| Type 7 | 2–11 | Сверхмалые корпуса, передовые BGA | 50 мкм и менее |
Мелкие частицы — дорогое производство, быстрая деградация и обязательная пайка в азоте для Type 6–7 (из-за высокого отношения площади поверхности частиц к объёму и связанной с этим склонности к окислению). Использовать Type 5 там, где хватает Type 3, — экономически бессмысленно.
Безотмывные и водоотмываемые пасты
No-clean пасты (классы ROL0, ROL1, REM0 по J-STD-004) после оплавления оставляют минимальный остаток флюса, не требующий удаления при нормальном профиле. Это самый распространённый выбор для потребительской и промышленной электроники: отмывка — дополнительная операция с реальными затратами, и если можно её избежать — избегают. Но при неполном сгорании флюса остатки повышают ионное загрязнение платы и снижают SIR (Surface Insulation Resistance), что критично для высокочастотных и высоковольтных схем.
Водоотмываемые пасты (класс ORH1) содержат органические кислоты в качестве активаторов — превосходное смачивание даже на окисленных поверхностях, но коррозионно-активные остатки нужно смыть деионизированной водой в течение нескольких часов после пайки. Применяются в медицинской, телекоммуникационной и военной аппаратуре, где чистота платы критична и исключена электрохимическая миграция.
Отдельно стоят пасты с канифолевым флюсом класса RA — исторически предшествовавшие современным no-clean. Технически их остатки некоррозионны при герметизированной пайке, но во влажной среде притягивают влагу, поэтому их тоже рекомендуют отмывать.
Пасты для трафаретной печати, дозирования и ручного нанесения
Трафаретные пасты проектируются под вязкость 500–1200 Па·с с выраженной тиксотропией: под ракелем паста течёт и заполняет апертуры, после подъёма трафарета держит форму депозита и не растекается. Пасты для дозирования имеют вязкость 150–500 Па·с — их подают через иглу диспенсера под давлением. Джеттинговые пасты ещё жиже — для бесконтактного выстреливания дозы. Смешивать эти категории нельзя: трафаретная паста в диспенсере забьёт иглу, диспенсерная паста в трафаретном принтере вытечет через апертуры под собственным весом.
Для ручного монтажа и ремонта выпускаются пасты в шприцах объёмом 10–35 г — иногда с несколько сниженной вязкостью для удобства выдавливания. Состав флюса и тип сплава при этом могут полностью совпадать с трафаретной версией.
Физические параметры паяльной пасты
Плотность
Плотность пасты зависит от состава сплава и металлосодержания: SAC305 с 88,5% металла — около 7,8–8,0 г/мл, Sn63Pb37 с тем же металлосодержанием — 8,5–8,8 г/мл (свинец плотнее: 11,34 г/см³ против ~7,4 г/см³ у SAC). Плотность нужна при калибровке SPI-систем, работающих в режиме измерения объёма депозита.
Металлосодержание
85–92% масс. — типичный диапазон для трафаретных паст, что соответствует 45–57% по объёму. Депозит высотой 150 мкм после оплавления при 88% металлосодержания превращается в соединение высотой ~70–80 мкм — флюсовая матрица испаряется. Высокое металлосодержание (91–92%) даёт бо́льший объём соединения, но пасту сложнее наносить. Низкое (85%) удобнее для дозирования, но объём соединения меньше.
Вязкость и тиксотропия
Вязкость трафаретных паст — 500–1200 Па·с (измеряется вискозиметром). Тиксотропия — ключевое реологическое свойство: под нагрузкой ракеля паста разжижается, в покое — восстанавливает вязкость. Температура в цеху влияет существенно: при повышении на 5–10°C паста заметно жиже. Поэтому зону нанесения держат при 22–25°C ±2°C.
Липкость и время жизнеспособности
Липкость (tack) — 25–75 г/см² по J-STD-005A — сила, удерживающая компонент на депозите до оплавления. При недостаточной липкости компонент сдвигается на конвейере, при избыточной — трудно откорректировать пинцетом при ручном монтаже. Время жизнеспособности (open time) — от 4 до 24 часов в зависимости от состава. Пасты с длинным open time применяют на производствах с длительным циклом между нанесением и пайкой.
