CS214573B1

CS214573B1 - PCB soldering paint

Info

Publication number: CS214573B1
Application number: CS126881A
Authority: CS
Inventors: Eduard Spousta; Josef Vanacek; Milan Kunz; Josef Svoboda; Dagmar Elefantova
Original assignee: Eduard Spousta; Josef Vanacek; Milan Kunz; Josef Svoboda; Dagmar Elefantova
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1982-05-28

Abstract

Barva pro pájení plošných spojů se užívá při pájení plošných spojů vlnou roztavené pájky k zabránění nežádoucího ulpš- ní cínu. Barva obsahuje 5 až 25 hmot. % polydimetylfenylenoxidu, 30 až 60 hmot. '<% organického rozpouštědla, 20 až 50 hmot. % anorganického plniva a 0,1 až 5 hmot. % oligomerů propylenu a případně do 5 hmo.t. % plniva o specifickém povrchu větším než 80 m2/g, s výhodou 200 až 500 m2/gThe solder paint for printed circuit boards is used in the wave soldering of printed circuit boards with molten solder to prevent unwanted tin release. The paint contains 5 to 25 wt. % polydimethylphenylene oxide, 30 to 60 wt. % organic solvent, 20 to 50 wt. % inorganic filler and 0.1 to 5 wt. % propylene oligomers and optionally up to 5 wt. % filler with a specific surface area greater than 80 m2/g, preferably 200 to 500 m2/g

Description

Vynález ee týká barvy pro páj ní plošných spojů v cínové lázni, která má zabránit ztrátám cínu jeho přilnutím na nežádoucích místech plošného spoje.The invention relates to a paint for soldering printed circuit boards in a tin bath, which is intended to prevent tin losses due to its adhesion to undesirable locations of the printed circuit board.

Zavedením plošných spojů do sériové výroby vyvolal problém ekonomického a racionálního pájení, které by umožňovalo pájet všechny spoje na destičce s plošnými spoji najednou. Dnes běžné používaným způsobem v průmyslové praxi je pájení vlnou roztavené pájky. Roztavená pájka se vytlačuje úzkou štěrbinou nad vlastní lázeň do tvaru vlny směrem k destičce s plošnými spoji, která Se posunuje ve vodorovné rovině nad ní.The introduction of printed circuit boards into mass production raised the problem of economical and rational soldering, which would allow soldering all the connections on a printed circuit board at once. Today, the method commonly used in industrial practice is wave soldering of molten solder. The molten solder is extruded through a narrow slit above its own bath in a wave shape towards the printed circuit board, which is moved in a horizontal plane above it.

Cílem pájení je zajištění vodivého a mechanického spoje mezi vývojem součástky procházejícím otvorem destičky plošného spoje a určitým místem měděné fólie ve tvaru kruhu oThe goal of soldering is to provide a conductive and mechanical connection between the development of the component passing through the hole of the printed circuit board and a specific location of the copper foil in the shape of a circle of

nebo kapky velikosti několika málo mm . Při pájení metodou vlny roztavené pájky však na měděných obrazcích plošných spojů ulpí pájka na celé jejich ploše, což není žádoucí, neV bot spotřeba cínové pájky je několikanásobná oproti tomu, když by se pájel ručně každý vývod zvlášt.or drops of a few mm in size. However, when soldering using the molten solder wave method, the solder sticks to the copper patterns of the printed circuit boards over their entire surface, which is not desirable, because the consumption of tin solder is several times higher than if each pin were soldered manually separately.

Byly vyvinuty různé prostředky, které značně zmenší spotřebu pájky. Tyto prostředky vs formě barvy se nanesou na místa měděné folie, na kterých není ulpění cínu žádoucí. Barvy se vytvrzují teplem nebo zářením, protože musí odolávat teplotě pájení.Various agents have been developed that significantly reduce solder consumption. These agents in the form of paint are applied to areas of the copper foil where tin adhesion is not desired. The paints are cured by heat or radiation, as they must withstand the soldering temperature.

Nevýhodou těchto prostředků je, že se jedná o vícesložkové systémy, které jsou bez vytvrzení nepoužitelné.The disadvantage of these products is that they are multi-component systems that are unusable without curing.

Podle čs. autorského osvědčení (PV 4125 - 79) je popsán ochranný lak pro ovíjecí špičky konektorů na bázi polyfenylenoxidu, který rovněž zabraňuje nežádoucímu přilnutí cínové pájky na měděné konektory, nevyhovuje však při použití jako maskovací barva pro pájení spojů, protože jej nelze pro nevhodnou konzistenci nanášet na destičku plošných tištěných spojů pomocí tiskařských technik, například sítotiskem.According to the Czechoslovak copyright certificate (PV 4125 - 79), a protective varnish for the wrapping tips of connectors based on polyphenylene oxide is described, which also prevents unwanted adhesion of tin solder to copper connectors, but is not suitable for use as a masking paint for soldering joints, because it cannot be applied to a printed circuit board using printing techniques, such as screen printing, due to its unsuitable consistency.

Předmětem vynálezu je barva pro pájení plošných spojů v cínové vlně na bázi polyfenylsnoxidu, která obsahuje 5 až 25 hmot. % póly (2,6 dimetylfenylenoxidu) s průměrným polýmeračním stupněm 80 až 500 30 až 60 hmot. % organického rozpouštědla, jako je chloroform, chlorbenzen, toluen, xylen nebo Jejich směsi, 20 až 50 hmot. % anorganického plniva jako je kaolin, mastek,kysličník železitý, kysličník titaničitý, uhličitan vápenatý o průměrné velikosti částic 1 až 50 um, 0,1 až 5 hmot. % oligomerů propylénu s polymeračo ním stupněm 5 až 100 a případně 1 až 5 hmot. % látek o povrchu větším než 80 m /g, s výhodou 200 až 500 m²/g.The subject of the invention is a paint for soldering printed circuit boards in tin wave based on polyphenylene oxide, which contains 5 to 25 wt. % poly(2,6 dimethylphenylene oxide) with an average degree of polymerization of 80 to 500, 30 to 60 wt. % organic solvent, such as chloroform, chlorobenzene, toluene, xylene or mixtures thereof, 20 to 50 wt. % inorganic filler such as kaolin, talc, iron oxide, titanium dioxide, calcium carbonate with an average particle size of 1 to 50 μm, 0.1 to 5 wt. % propylene oligomers with a degree of polymerization of 5 to 100 and optionally 1 to 5 wt. % substances with a surface area greater than 80 m2/g, preferably 200 to 500 ^m2 /g.

Barva dle vynálezu je v podstatě roztok 5 až 25 hmot. % polyfenylenoxidu v organickém rozpouštědle nebo směsi organických rozpouštědel, především typu halogenovaných uhlovodíků a aromatických uhlovodíků. Jako přísady obsahuje různá minerální plniva a minerální pigmenty. Volbu druha přísady a jejího množství je možno podřídit praktickým požadavkům - například rozlišení, transparentnosti a podobně.The paint according to the invention is essentially a solution of 5 to 25 wt. % polyphenylene oxide in an organic solvent or mixture of organic solvents, especially of the halogenated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon type. It contains various mineral fillers and mineral pigments as additives. The choice of the type of additive and its amount can be subject to practical requirements - for example, resolution, transparency and the like.

Z minerálních přísad lze například použít kaolin, talek, kysličník železitý, kyslič nik titaničitý^ uhličitan vápenatý a podobně, a to do množství 50 hmot. %, Optimální množství minerální přísady je závislé na povrchu a velikosti částic, řro minerální látky běžně užívané jako plniva do barev je optimální množství 40 až 50 %, Takové směsi mají z hle diska uvedené aplikace nejvýhodnější vlastnosti.Mineral additives can include, for example, kaolin, talc, iron oxide, titanium dioxide, calcium carbonate, and the like, in an amount of up to 50 wt. %. The optimal amount of mineral additive depends on the surface and particle size, for mineral substances commonly used as fillers in paints, the optimal amount is 40 to 50%. Such mixtures have the most advantageous properties from the point of view of the above-mentioned application.

Oligomery propylenu v barvě dle tohoto vynálezu snižují rychlost odpařování rozpouštědel a tedy vysýchání barev, které má nepříznivý vliv zejména při nanášení barvy sítotiskem. Dále působí tyto oligomery jako separátory. Film barvy lze, zvláště při vyšším obsahu oligomerů polypropylenu snadno s povrchu sejmout odloupnutím, Výhodou těchto oligomerů je, že při teplotě roztavené cínové pájky, to je 230 až 250 °C depolymerují.The propylene oligomers in the paint according to the invention reduce the rate of solvent evaporation and thus the drying of the paint, which has an adverse effect, especially when applying the paint by screen printing. Furthermore, these oligomers act as separators. The paint film can be easily peeled off the surface, especially at a higher content of polypropylene oligomers. The advantage of these oligomers is that they depolymerize at the temperature of molten tin solder, i.e. 230 to 250 °C.

K této depolymeraci dochází již při krátkém několikaminutovém zahřátí na teplotu pájky, to je na teplotu asi 230 °C, takže k němu dochází přímo při pájení. Protože produkty ďepolymerace jsou těkavá, nedochází k znečištění pájky.This depolymerization occurs during a short heating of a few minutes to the solder temperature, i.e. to a temperature of about 230 °C, so it occurs directly during soldering. Since the depolymerization products are volatile, there is no contamination of the solder.

Další součástí barvy jsou látky s velmi vysokým povrchem. Tyto látky stabilizují fyzikální strukturu barev při změnách teploty.Another component of the paint is substances with a very high surface area. These substances stabilize the physical structure of the paint during temperature changes.

Teplotní závislost přitažlivých sil vzájemně mezi částicemi a absorbčních sil mezi částicemi a polymerní molekulou si v těohto soustavách konkurují. Výsledkem je nežádoucí efekt, projevující se v závislosti na teplotě tak, že soustavy tvoří při stejném složení buď barvu husté konzistence nebo nepoužitelnou suspenzi. Efekt má reversibilní charakter.The temperature dependence of the attractive forces between the particles and the absorption forces between the particles and the polymer molecule compete in these systems. The result is an undesirable effect, which manifests itself depending on the temperature, such that the systems form either a thick paint consistency or an unusable suspension with the same composition. The effect is reversible.

Přítomnost (2 až 5 hmot. %) látek o vysokém povrchu jako je kysličník křemičitý nebo hlinitý, stabilizuje fyzikální vlastnosti těchto polymerů. V širokém rozmezí teplot ponechávají si pak směsi prakticky konstantně viskozní konzistenci, vhodnou pro nanášení tiskařskou technikou.The presence (2 to 5 wt.%) of high surface area materials such as silica or alumina stabilizes the physical properties of these polymers. Over a wide temperature range, the mixtures retain a practically constant viscous consistency, suitable for application by printing techniques.

Vyšší obsah látek s vysokým povrchem má však negativní vliv na adhezi barvy k povrchu tištěného spoje.However, a higher content of high-surface substances has a negative effect on the adhesion of the ink to the surface of the printed circuit.

Směsi uvedeného složení mají dostatečnou adhezi na vodivé podložky, dobře se nanášejí běžnou tiskařskou technikou přes masku a po vhodném zředění se mohou stříkat nebo i nanášet štětcem. Vytvořený film má velmi nízkou vodivost nejen po nanesení, ale i po tepelné expozici, na kterou jsou vystaveny při teplotě pájení, elektrická vodivost těchto směsí závisí především na druhu a čistotě minerální příměsi a pro běžné typy minerálních -12 přísad se pohybuje v rozsahu odporu 10 ,Mixtures of the above composition have sufficient adhesion to conductive substrates, are well applied using conventional printing techniques through a mask and, after appropriate dilution, can be sprayed or even applied with a brush. The formed film has a very low conductivity not only after application, but also after thermal exposure to which they are exposed at soldering temperature, the electrical conductivity of these mixtures depends primarily on the type and purity of the mineral admixture and for common types of mineral -12 additives it ranges in the resistance range of 10 ,

Ani po delší tepelné expozici v intervalu teplot pod 340 °C nedochází k tvorbě a uvolňování nízkomolekulárních látek, přecházejících do čínové lázně, které by měly za následek maštění cínu a zhoršení průběhu pájení cínovou vlnou.Even after prolonged thermal exposure in the temperature range below 340 °C, there is no formation and release of low-molecular substances that pass into the tin bath, which would result in tin greasing and deterioration of the soldering process using a tin wave.

Proti známým prostředkům je výhodou barvy podle tohoto vynálezu, že nevyžaduje speciální technologickou operaci vytvrzování ochranného filmu.The advantage of the paint according to the present invention over known compositions is that it does not require a special technological operation for curing the protective film.

Následující příklady ukazují, v jakém složení a z jakých základních materiálů je vhodné vyrábět uvedené ochranné barvy a jaké vlastnosti tyto prostředky mají. % v příkladech uváděná jsou hmotnostní. Barvy uvedeného typu vyrobené z nejrůznějších typů póly (2,6-dimetylfenylenoxidu) připraveného pomocí různých katalytických soustav, v zásadních charakteristikách nebyly odlišné.The following examples show the composition and basic materials used to produce the protective paints mentioned and the properties of these products. The % given in the examples are by weight. Paints of the mentioned type made from various types of poly(2,6-dimethylphenylene oxide) prepared using different catalytic systems did not differ in their essential characteristics.

Příklad 1Example 1

Do 46 g 10 %-ního chlorbenzenového roztoku polyfenylenoxidu připraveného podle čs. autorského osvědčení č. 159562 o průměrném polymeračním stupni asi 300 bylo zamícháno 29 g kalcinovaného kaolinu. Směs byla několikrát homogenizována protlačením přes mosazné síto ko s počtem ok 250/cm a bylo přidáno 0,2 g oligomerů propylenu s průměrným polymeračním stupněm 50. Technikou sítotisku byla barva nanesena na desku s plošnými spoji kompletně osazenou elektrotechnickými prvky a prvky připájeny technikou postupné vlny roztavené cínové pájky.29 g of calcined kaolin was mixed into 46 g of a 10% chlorobenzene solution of polyphenylene oxide prepared according to Czechoslovak patent No. 159562 with an average degree of polymerization of about 300. The mixture was homogenized several times by pressing through a brass sieve with a mesh size of 250/cm and 0.2 g of propylene oligomers with an average degree of polymerization of 50 were added. The paint was applied to a printed circuit board completely equipped with electrical components using the screen printing technique and the components were soldered using the technique of a gradual wave of molten tin solder.

Hmotnostní rozdíl před pájením a po pájení činil 4,8 g.The weight difference before and after soldering was 4.8 g.

Stejným postupem byly pájeny prvky na shodný panel, avšak bez pokrytí vodivých cest ochrannou barvou. Hmotnostní rozdíl panelu před pájením a po pájení činil 32 g.The elements were soldered to the same panel using the same procedure, but without covering the conductive paths with protective paint. The weight difference between the panel before and after soldering was 32 g.

.Funkce i výkon obou panelů byly shodné. Z hmotnostních rozdílů panel před pájeném a po pájení, které reprezentují množství zachycené cínové pájky na panelu a chráněnými vodivými cestami a panelu s nechráněnými vodivými cestami lze vypočíst úsporu cínu 27,2 g, to je 85 %. Nebo-li spotřeba cínové pájky pro pájení nechráněných plošných spojů v tomto případě je o 560 % vyšší..The function and performance of both panels were identical. From the weight differences of the panel before and after soldering, which represent the amount of tin solder captured on the panel and protected conductive paths and the panel with unprotected conductive paths, a tin saving of 27.2 g can be calculated, which is 85%. Or the tin solder consumption for soldering unprotected printed circuits in this case is 560% higher.

Příklad 2 »Example 2 »

Barva připravená podle příkladu 1 byla zředěna 50 g chloroformu a pomocí masky nastříkána na panel stejného typu jak je uvedeno v příkladu 1.The paint prepared according to Example 1 was diluted with 50 g of chloroform and sprayed using a mask onto a panel of the same type as shown in Example 1.

Hmotnostní rozdíl před pájením a po pájení panelu s chráněnými vodivými cestami bylThe weight difference before and after soldering of the panel with protected conductive paths was

4,6 g.4.6 grams.

Úspora spotřeby pájky spočítaná z hmotnostního přírůstku neupravované destičky, s plošnými spoji před a po pájení vlnou roztavené cínové pájky podle údaje z příkladu 1 je v tomto případě 86 %.The solder consumption savings calculated from the weight gain of the untreated board, with printed circuits before and after wave soldering of molten tin solder according to the data from Example 1 is 86% in this case.

Příklad 3Example 3

Byla uskutečněna řada pokusů s pájením plošných spojů s chráněnými a nechráněnými vo divými cestami. K ochraně vodivých cest byl použit prostředek vyrobený postupem podle příkladu 1 a surovin uvedených souhrnně v tabulce 1.A series of experiments were carried out with soldering of printed circuit boards with protected and unprotected conductive paths. To protect the conductive paths, a composition prepared according to the procedure of Example 1 and the raw materials listed in Table 1 was used.

Způsob nanášení, výsledky a vyhodnocení je souhrnně uvedeno v tabulkách 2 a 3.The method of application, results and evaluation are summarized in Tables 2 and 3.

Tabulkí Table i 1* Složení barvy i 1* Paint composition minerální rozpouštědlo mineral solvent oligomery propylenu polymerační v stupen propylene oligomers polymerization stage obsah g contents g číslo number polyfenylenoxid polymerační obsah polyphenylene oxide polymerization content plnivo druh obsah filler type content druh species g g stupen degree S With 1 1 100 100 5 5 mastek 5 talc 5 toluen toluene 85 85 10 10 5 5 2 2 200 200 50 50 srážený 50 precipitated 50 chlore- chlorine- 80 80 1 1 uhličitan carbonate forra forra 89 89 vápenatý calcium xylen xylene 20 20 3 3 450 450 15 15 kysličník 4,5 oxygen 4.5 i chlor- i chlorine- 30 30 50 50 0,5 0.5 titaničitý titanium benzen benzene 4 4 300 300 5 5 kysličník 20 oxygen 20 chlor- chlorine- 50 50 1 1 železitý ferrous benzen benzene 60 60 toluen toluene 5 5

Tabulka 2s Zhodnocení úspor cínu a charakterizace ochranyTable 2s Tin savings assessment and protection characterization

Ochranný prostředek podle tab. 1 Protective agent according to table 1 Způsob nanesení Rozdíl ve na vodivé spoje spotřebě cínu % Deposition method Difference in tin consumption % Vlastnosti Features 1 . 1 . štětcem 80 brush 80 Barva se nesnadno sloupne před i po pájení Paint does not peel off easily before and after soldering 2 2 tiskařskou techni- 82 kou válečkem printing technique- 82 roller Barva se slupuje před pájením, po pájení pevně ulpí Paint peels off before soldering, sticks firmly after soldering 3 3 tiskařskou techni- 85 jjgji přes sítko printing technique- 85 jjgji through a sieve Barva se slupuje před pájením, po pájení pevně ulpí Paint peels off before soldering, sticks firmly after soldering 4 4 stříkáním 84 by spraying 84 Barva se slupuje před pájením, po pájení pevně ulpí Paint peels off before soldering, sticks firmly after soldering

Tabulka 3· Změna konzistence barvy v závislosti na teplotěTable 3 Change in paint consistency depending on temperature

Ochranný prostředek podle tabulky 1 Protective agent according to table 1 Teplota, při které nastane změna konzistence barvy na suspenzní nepoužitelný typ Temperature at which the consistency of the paint changes to a suspension type that is unusable Teplota při které nastane reversibilní změna konzistence barvy ze suspenzní na řídce gelovitou při rychlosti chlazení l°C/min. The temperature at which a reversible change in paint consistency occurs from suspension to thin gel at a cooling rate of 1°C/min. 1. 1. 49,5 °C 49.5°C 21 - 19 °C 21 - 19°C 2 2 52,0 °C 52.0°C 18 - 15 °C 18 - 15°C , 3 , 3 47,0 °C 47.0°C 22 - 18 °C 22 - 18°C 4 4 56,8 °C 56.8°C 17 - 12 °C 17 - 12°C

Příklad 4Example 4

Byla uskutečněna řada pokusů s pájením plošných spojů a chráněnými a nechráněnými vodivými cestami. K-ochraně vodivých cest byl použit prostředek vyrobený postupem podle příkladu 1 a surovin, uvedených souhrnně v tabulce 4. Do ochranných barev byly přidávány látky o vysokém povrchu, aby se zabránilo změnám struktury barev při zvýšené teplotě. Stabilizační efekt těchto látek je stejně jako ostatní výsledky a vyhodnocení uveden v tabulce 4. Nanášení ochranné barvy bylo provedeno ve všech případech štětcem. Adheze barev v uvedených složeních ve všech případech je dobrá. Úspory zatím nebyly vyhodnocovány. Tabulka 4í Složení barvy s přísadou stabilizující její strukturu za vyšších teplotA number of experiments were carried out with soldering of printed circuit boards and protected and unprotected conductive paths. For the protection of conductive paths, a composition prepared according to the procedure of Example 1 and the raw materials listed in Table 4 were used. High surface area substances were added to the protective paints to prevent changes in the structure of the paints at elevated temperatures. The stabilizing effect of these substances, as well as other results and evaluations, is given in Table 4. The application of the protective paint was carried out in all cases with a brush. The adhesion of the paints in the listed compositions is good in all cases. The savings have not yet been evaluated. Table 4 Composition of the paint with an additive stabilizing its structure at higher temperatures

Čís. No. Polyfenylen- Polyphenylene- Rozpouštědlo Solvent Minerální Mineral Minerální Mineral Pyzikál. Physical. Oligomery Oligomers oxid v póly- oxide in poly- druh species množ. plural . plnivo . filler přísada ingredient stabilita stability propylenu propylene meracním measuring g g druh obsah stabilizující type content stabilizing gelovité gel-like polymerační polymerization stupni obsah level content g g srukturu ochr. protection structure konzistence consistency stupeň obsah level content ε ε barvy g colors g povrch barvy paint surface g g druh species »7« »7« 1 1 100 5 100 5 benzen benzene 85 85 mastek 5 talc 5 kysličník 2 oxygen 2 380 380 70 °C 70°C 10 5 10 5

křemičitýsiliceous

Tabulka 4 - pokračování Table 4 - continued 2 2 200 200 50 50 chloroform 89 xylen 20 chloroform 89 xylene 20 srážený 50 uhličitan vápenatý precipitated 50 calcium carbonate kysličník hlinitý aluminum oxygen 4 4 l60 l60 60°C 60°C 80 80 1 1 3 3 450 450 15 15 chlorbenzen chlorobenzene 30 30 kysličník 4,5 titaničitý oxygen 4.5 titanium tetrachloride kysličník hlinitý aluminum oxygen 4 4 160 160 90 °C 90°C 50 50 0,5 0.5 4 4 300 300 20 20 chloroform chloroform 65 65 kysličník 20 železitý iron-20 oxygen * kysličník křemičitý * silicon dioxide 1 1 380 380 60 °C 60°C 50 50 1 1 5 5 300 300 20 20 chloroform chloroform 65 65 kysličník 20 železitý iron-20 oxygen kysličník křemičitý silicon dioxide 7 7 380 380 60 ®C 60 °C 50 50 1 1

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

PCB in PCB based on polyphenylene oxide, characterized in that it contains 5 to 25 wt. % poles (2,6 dimethylphenylene oxide) with an average polymerization degree of 80 to 500, 30 to 60 wt. % organic solvent such as chloroform, toluene, xylene or mixtures thereof; % inorganic filler such as kaolin, talc, ferric oxide, titanium dioxide, calcium carbonate having an average particle size of 1 to 50 µm, 0.1 to 5 wt. % of propylene oligomers having a polymerization degree of 5 to 100 and optionally up to 5 wt. % filler having a specific surface area greater than 80 m / g, preferably 200 to 500 nr / g.