Бессвинцовым припоями

Юридические аспекты проблемы

Начало проблеме положил сенатор AI Gore в 1992 году, представив в конгресс США законопроект «Lead Exposure Reduction Act», известный также как «The Reid Bill». К документу прилагался обширный список подлежащих запрету «свинцовых» материалов и изделий, в который попала и продукция электронной промышленности, включая свинцовые припои и покрытия.

Однако вследствие интенсивного лоббирования представителями электронной промышленности из списка запрещенных материалов были исключены свинцовые припои и покрытия. Тем не менее, Агентству по охране окружающей среды EPA (Environmental Protection Agency) было поручено провести инвентаризацию всех изделий, содержащих свинец, и составить список материалов, которые могут нанести существенный вред здоровью человека.

Реального воздействия на американскую электронную промышленность все эти меры не имели. До сих

пор в США не существуют какие-либо нормативные акты или законодательные предложения, ограничивающие использование свинца в электронной промышленности. Единственное ограничение связано с утилизацией отработавшей электронной аппаратуры. Существуют также рекомендации экологов по снижению содержания свинца в аппаратуре.

Опыты Константина Мусатова

В связи с недавним запретом в Европе применения в аппаратуре припоев со свинцом в продаже повсеместно начали появляться безсвинцовые припои. Естественно у большинства радиолюбителей, специализирующихся на пайке звуковых устройств стали появляться вопросы по влиянию на звучание паяемых кабелей и аппаратуры — припоев, не содержащих свинец.

В сети информация по влиянию материалов для пайки на звучание, в особенности новых — бессвинцовых припоев «размазана» по форумам и найти сколько-нибудь подробное описание на эту тему – довольно проблематично. Исследование по влиянию на звучание, не только безсвинцовых припоев, а вообще всех – делали Аббас из Украины и Пехтерев из РФ.

Там основной вопрос был по поиску «идеального» для звука припоя, который бы по аудифильским канонам был на голову выше любого промышленного. Исследования очень интересные и показательные, но практически могут быть применимы только самими авторами или ограниченным кругом тех, кто решится на «варку» идеального припоя по их формулам.

Народ же больше интересует, какой из припоев промышленного изготовления «звучит» и чтобы он не стоил как «Кардас» и его не нужно было заказывать и ждать пол года. Многих интересует мнение о разрекламированных аудиофильских припоях: WBT, Waco-Tech, Audio Note, Cardas, их физических качествах и степени реального влияния на звук.

Александр = Мне очень понравился припой Cardas (никогда раньше не думал, что припой оказывает такое сильное влияние на звук), особенно если соблюдать температурный режим 170 С и пользоваться им как написано в инструкции по эксплуатации. Я им паяю где-то месяц, на выходе куча межблочных кабелей, сделанных на заказ.

Разъемы применяю — честный «Нойтрик» со сдвижным земляным контактом. Кабель — разный и Сайлент Вайр и Кимбер и если подешевле – микрофонный Klotz. Кардас (ИМХО) по звуку — один из лучших припоев. Сравнивал его с Асахи, и WBT примерно одного состава, Кардас их уделал. Про ПОС вообще не говорю, по сравнению с этими он – отстой.

WGGt56 = Я постоянно пользуюсь припоем фирмы Multicore, с флюсом внутри. Состав: Олово 62 %, Свинец 36 %, Серебро 2 %. Пару дней назад попробовал безсвинцовый припой WBT 0805 Silver 42 g (серебра в нем в два раза больше, чем в моем Multicore) купив катушку за сумасшедшие 2000 рублей (40 грамм)! Хотелось узнать, даст ли он прирост в качестве звука по сравнению с моим обычным припоем.

Спаял этим припоем с двух сторон кабель для довольно дорогих наушников MDR-Z1000 new Sony (со стороны наушников и коннекторов). Результат не порадовал. Звук стал очень ярким с перекосом баланса в сторону ВЧ. Для чистоты эксперимента снял отсосом и зачистил контакты на одном из «Ушей» и спаял своим Multicore.

При параллельном включении двух «Ушей» в один канал усилителя та сторона, что распаяна мультикором сыграла намного ровнее, чем сторона с припоем WBT. Вот вам и хваленый бессвинцовый припой WBT с высоким содержанием серебра… Почему так получилось, не знаю. Может быть повлиял мультикоровский свинец, а может быть, чем больше серебра, тем ярче и кривее получается звук. Купился на хвалебную статью и красивую рекламу(.

Левин Игорь = Припой припоем, но намного важнее то, каким образом — паять. Любая пайка должна быть:

• Скелетной (минимум припоя);
• Блестящей (не перегретой);
• Обтекаемой формы;
• Механически прочной (проводники должны быть закручены на ушко клеммы и держаться там прочно без пайки!).

Если эти условия не выполняются, то тип припоя не поможет, хоть супер дорогим WBT паяй, хоть базарным ПОС-61. Вот для серебро содержащих припоев нужен паяльник с более высокой температурой жала, это — да. Раньше я использовал обычный ПОС, потом в связи с всеобщей модой и помешательством в аудио прессе – перешел на различные безсвинцовые припои Asahi Solder: Sn96,5Ag3,5; Sn99,3Cu0,7;

SCS7 с серебром и медью. Сейчас для пайки применяю бессвинцовый припой Asahi Solder Viromet. Звуковыми свойствами припоев если честно, не особо заморачиваюсь, т.к. занимаюсь ремонтом бытовой аппаратуры, а там больше не усилители и колонки, а ноутбуки и видеокарты… Интересно, кто какими припоями пользуется для пайки своих изделий? Если это не составляет коммерческую тайну конечно.

Константин Мусатов = Я применяю безсвинцовый припой и со свинцом марок Asahi и Radiel. В ходу у меня постоянно четыре типа припоя для разных целей:

• Олово-медь для бессвинцовых печатных плат с обычными деталями;
• Олово-серебро для безсвинцовой пайки печатных плат и разъемов;
• Олово-свинец 60% / 40% для силовой пайки звуковых и не звуковых цепей;
• Олово-свинец 63% / 37% для печатных плат со свинцом.

Для начала, припой должен соответствовать поставленной задаче. Если нужна пайка лампового усилителя или корректора навесным монтажом, то лучше применять ПОС-60/40 или его более дорогие импортные аналоги. Если нужно паять печатные платы, то сначала нужно разобраться с покрытием платы и материалом контактов тех деталей, которые на эту плату будут ставиться. Припой должен им соответствовать. На пример, если на плате и контактах деталей есть позолота, то припой должен содержать серебро.

Если заморачиваться с тем как эти припои звучат, то это вопрос на самом деле – неоднозначный и темный. Я согласен с мнением одного спеца по металлам, что чем сложнее в припое состав, тем кристаллическая структура у пайки получается — хуже. В любом припое без олова — никуда. Из-за последних тенденций по увлечению экологией и бессвинцовыми припоями — без меди тоже.

Потому я частично перешел на медно-оловянный припой. У него смачиваемость хуже, чем у ПОС-а и припоев с серебром, и жала из меди — растворяются в нем «со скоростью звука». Но если паять паяльником с многослойным не обгорающим жалом и медно-оловянный припой с внутренним флюсом, то на результат не жаловался.

По моему мнению, звук припоя, в значительной степени определяется чистотой того, что в нем намешано: олова, меди, серебра и других элементов, и качеством примененного флюса. Припой, родом из шарашкиной конторы, может содержать много всякого дерьма, поэтому применять его не советую. Сам в основном паяю F99U10B13.

Но, хоть по звуку они мне и не нравятся — приходится пользоваться и серебросодержащими, т.к. золотое покрытие на платах и деталях им плохо смачивается. А припой с серебром золото смачивает хорошо. К корням надо возвращаться, к корням… Олово есть, чего нам еще надобно? Золота, не надо — оно портит структуру пайки, а медь не портит, ее там и так — много.

Аlexx = Получается, что серебро в припое хуже, чем просто медь и олово? А оно ж со временем на поверхности наверно — окисляется? Интересно, у олова окисел – ток проводит? Читал, что окисел серебра, таки-да, токопроводящий.

Константин Мусатов = Олово окислению как раз не подвержено, здесь проблема не в окислах. Олово подвержено оловянной чуме. Что бы чума не уничтожала пайки из чистого олова, в него нужно добавлять посторонние металлы, и выбор тут весьма широк: свинец, медь, серебро… Кроме разной температуры отвердения, у припоев есть еще параметры по смачиваемости материалов и по тому, какая при отвердении образуется структура.

Вот последнее как раз — очень влияет на звучание. Если в составе припоя много второго компонента, например, как свинца в ПОС-61, то при застывании в первую очередь кристаллизуется область эвтектичного расплава, а потом застывает — остаток. Получается, что структура пайки с глубиной — меняется и в ее кристаллической структуре образуются дефекты. Припои с небольшим содержанием примесей, такого сбоя в кристаллической структуре не дают.

Аlexx = Константин, по вашему мнению с точки зрения звука, оловянно-медный припой намного лучше, чем оловянно-серебряный? А то я повелся на хвалебную рекламу припоя с серебром и рассказы о том какое волшебное влияние на звук он оказывает, купил за непонятные деньги и только после этого нашел информацию от Аббаса и Пехтерева.

Я читал, что в последнее время проблемы экологии и появившиеся в связи с ними бессвинцовые припои вызывают повышенный интерес изготовителей радиоэлектронной аппаратуры. Куча информации о том, что безсвинцовые припои по массе характеристик отличаются от эвтектического сплава 63/37, поэтому, когда производитель переходит к пайке без применения свинца, обычно растет число дефектов.

Константин Мусатов = Бессвинцовые припои, особенно оловянно-медные, имеют плохую смачиваемость, паять ими намного сложнее и вероятность получить плохую пайку — выше. Если соблюдать рекомендации производителей припоев, то пайку изделий с золотым покрытием они рекомендуют делать олово-свинцово-серебряным, дела с надежностью пайки у них по-видимому обстоят — совсем плохо.

У меня, при ручной пайке оловянно-медным припоем по золотому покрытию, получаются вполне нормальные результаты, но на мат я не скупился. Оловянно-серебряным я паял раньше, только производитель был Асахи. Насчет разницы звука оловянно-медного и оловянно-серебряного однозначно сказать не могу, оба по своему — хороши.

Контакты с золотым покрытием паяю безсвинцовым припоем Asahi Viromet. Это дорогой четырехкомпонентный припой: Олово как основа, медь, серебро и индий. Я им свои кабели распаивал очень долго, пока он из-за начала кризиса, не подорожал. Asahi Viromet из-за дороговизны перестали возить, и он пропал. Сначала пришлось перейти на медно-оловянный Асахи, а потом на новый SCS7 (в составе — олово, кремний и медь). Медно-оловянный применяю для силовых кабелей, т.к. там нет контактов с позолотой.

Опыт Евгения Гущева

Бессвинцовая технология в Европе

Так сегодня обстоят дела в США. Все успокоились и отложили решение проблемы до лучших времен. Однако дурные примеры заразительны. Поднятая законодателями США волна докатилась до Европы. В дело включился Европейский Союз. Европейская комиссия (EC), отвечающая за состояние окружающей среды, радиационную безопасность и защиту населения, приняла в 1998 году в Брюсселе к рассмотрению проект директивы WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment directive) [5351].

В соответствии с этой директивой, с 1 января 2004 года в Европе полностью запрещается использование свинца при производстве радиоэлектронной аппаратуры. Однако авторы этого документа, как и в США, встретили жесткое сопротивление крупнейших европейских промышленных и торговых структур, включая Федерацию производителей печатных плат PCIF (Printed Circuit Industry Federation), Федерацию электронной промышленности FEI (Federation of Electronics Industries) и Европейскую федерацию производителей электронной аппаратуры EFIP (European Federation of Interconnection and Packaging).

сти и юридической корректности принимаемых мер. Изучением проблемы бессвинцовой технологии в электронной промышленности срочно занялось правительство Англии.

EFIP возражает против запрета на использование свинца по двум причинам. Во-первых, переход на бессвинцовые припои — достаточно сложная научная и техническая задача. Следует напомнить, что в мире до сих пор не предложено полноценной замены оловянно-свинцо-вым припоям. Во-вторых, поскольку запрет на свинцовые припои касается также материалов, импортируемых Европейским Союзом из других стран, то такой запрет может быть расценен ими как введение торгового эмбарго.

Похоже, что лоббирование EFIP, PCIF и FEI возымело свое действие. В январе 1999 года Совет министров и парламентов Европейской комиссии отказался ратифицировать вторую редакцию директивы WEEE. По слухам, из третьей редакции WEEE запрет на использование свинца в электронной промышленности исключен.

Однако в ряде европейских стран, в частности, в Дании и Швеции, кампания по запрету свинца все-таки достигла своей цели. Дания разработала несколько нормативных актов, в соответствии с которыми ограничивается импорт, маркетинг и производство свинца и сплавов на его основе, однако до сих пор ни один из них не принят.

Бессвинцовая технология в Японии

Правительство Японии с осторожностью отнеслось к запрету свинца, не желая вмешиваться во внутренние дела промышленности. Тог-

да инициативу взяла в свои руки Японская ассоциация электронной промышленности JEIDA (Japanese Electronic Industry Development Association). 30 января 1998 года JEIDA совместно с Комитетом по пайке Ассоциации производителей электронной аппаратуры JIEPA (Japanese Institute of Electronic Packaging Association) приняла основные положения программы по исключению свинца из электронной техники.

Многие национальные компании ведут инициативные работы по этой тематике. Большинство крупных OEM в Японии многократно заявляли о своих целях в части полного исключения или значительного снижения доли свинца в своих изделиях, о создании и выводе на рынок так называемых «greenw-устройств.

Так, Matsushita (Panasonic) планирует полностью исключить свинец из четырех своих изделий к концу

2001 года. Sony намерена отказаться от использования свинца в устройствах с высокой плотностью компоновки. NEC планирует к 2002 году на 50% сократить количество свинца в своих изделиях (по сравнению с 1997 годом). Toshiba предполагает в ближайшее время полностью исключить свинец из своих сотовых телефонов.

2002 года.

Экологические аспекты проблемы

Современные экологические требования — полностью запретить использование свинца в припоях и покрытиях при производстве электронной аппаратуры. Как отмечалось ранее, инициатива исходит от США и европейской законодательной организации WEEE. Аналогичную позицию занимает и Японская ассоциация электронной промышленности JEIDA [1].

И все-таки остается вопрос, а действительно ли используемый в электронной аппаратуре свинец так сильно вредит окружающей среде? Или за всем этим шумом скрываются какие-то другие мотивы? Для ответа следует обратиться к некоторым фактам.

Приведет ли отказ от использования свинцовых припоев к улучшению экологической обстановки? Вряд ли. Здесь следует напомнить, что в электронной промышленности используется менее 1% всего добываемого в мире свинца. Более 80,8% свинца применяется в аккумуляторах, причем эта цифра продолжает расти. В припоях используют и другие металлы, например, Ад, Bi и БЬ, мировые запасы которых значительно уступают свинцу. Уже по причине сохранения этих ресурсов следует увеличивать добычу и продолжать использовать свинец.

Второе замечание касается изменения режимов пайки при использовании бессвинцовых припоев. Большинство предлагаемых для замены сплавов имеют более высокую температуру плавления (210…227°С). Использование новых припоев потребует пересмотра всей сложившейся инфраструктуры: режимов пайки, оборудования, проведения исследований надежности паяных соединений, совместимости с покрытиями выводов компонентов и проводников печатных плат, подбора новых флюсов и моющих жидкостей, а также режимов очистки.

Сторонники запрета свинца особый упор делают на бесконтрольность утилизации выведенной из эксплуатации аппаратуры. Сегодня происходит быстрая смена поколений аппаратуры. Аппаратура не успевает вырабатывать свой ресурс. Замена часто происходит по соображениям престижности. Это касается в первую очередь персональных компьютеров, сотовых телефонов, телевизоров, пейджеров.

Стоит напомнить о тех миллионных тиражах, которыми выпускается вся эта техника. Муниципальные службы обеспокоены проблемами захоронения электронной аппаратуры. Считается, что под действием атмосферных осадков свинец может растворяться, проникать в грунтовые воды, а оттуда в источники снабжения населения питьевой водой и привести к массовым отравлениям.

Вопрос: а насколько велик риск отравления по этой причине? Еще

раз следует напомнить, что на городских свалках 48,1% свинца (по весу) приходится на аккумуляторные батареи и всего лишь 4,4% — на долю свинца, содержащегося в электронной аппаратуре. Судя по этим цифрам, в первую очередь следует решать проблему утилизации аккумуляторов, а не электронной аппаратуры.

Рыночные аспекты проблемы

Целый ряд компаний, главным образом в Японии, начал переходить на бессвинцовую технологию раньше, чем вступили в силу законодательные ограничения. Это означает, что бессвинцовая аппаратура быстро становится рыночной концепцией. Если учесть, что ряд стран намерен закрыть свои границы для электронных устройств, содержащих свинец, то производители бессвинцовой аппаратуры получают значительные рыночные преимущества.

Сегодня происходит быстрая смена промышленных приоритетов. Проведенные TechSearch International исследования на тему «Бессвинцовая технология — экологически чистое электронное производство» (Lead-free Movement: Environmentally Friendly Electronics Manufacturing) подтверждают, что страх перед законом не является основной движущей силой перехода промышленности на бессвинцовую технологию.

Производители начинают учитывать естественное стремление потребителей к улучшению окружающей среды. Отказ от использования свинца в припоях и покрытиях способствует этому. Когда-то публике внушили, что свинец — вредный металл. Обывателя не интересует, сколько свинца используется в электронной аппаратуре и как он используется.

рос «быть или не быть» бессвинцовой технологии, в конечном итоге находится в руках потребителей.

Компании стремятся извлечь выгоду из беспокойства потребителей по поводу окружающей среды и переходят на бессвинцовую технологию, чтобы увеличить долю своего участия на рынке. Дружественная к окружающей среде бытовая электроника может стать серьезным доводом в конкурентной борьбе. Примером такого подхода может служить «бессвинцовый» портативный плеер MiniDisc MJ30, выпущенный Panasonic в 1998 году, рыночные продажи которого возросли за последние шесть месяцев с 4,7 до 15%. Следует отметить, что стоимость «бессвинцового» плеера не превышает стоимости стандартных устройств этого типа.

Будет интересно понаблюдать, как будут восприняты «зеленые», или «бессвинцовые», электронные устройства на таких крупных рынках, как американский и европейский. Определяющей в этом вопросе будет реакция потребителей. В США, так же как и в Японии, имеется потенциал для коммерческого успеха, но при одном условии — равной стоимости «бессвинцовых» и обычных устройств.

Организационные аспекты проблемы

В США работы по бессвинцовой технологии координирует Институт печатных плат IPC (Interconnecting and Packaging Electronic Circuits Institute), и это после активного противодействия бессвинцовому законодательству в начале 1990-х годов!

Свою позицию IPC изменила не под влиянием законодателей, а под воздействием рыночных механизмов. Большинство фирм — членов этой организации — начало заметно нервничать, усматривая угрозу со стороны японских производителей электроники, активно осваивающих рынок «зеленых» (экологически чистых) электронных приборов. Основная цель программы IPC по перехо-

ду на бессвинцовую технологию -оказать содействие предприятиям в создании необходимой инфраструктуры, проведении исследований бессвинцовых материалов и технологий. По заявлению представителя IPC, институт в течение многих лет ведет работы по бессвинцовой технологии, в частности, исследует совместимость бессвинцовых припоев с различными покрытиями.

В 1994 году в Европе была принята программа IDEALS (Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-free Soldering -Увеличение срока службы и эколо-гичности производства электронной аппаратуры при переходе на бессвинцовую пайку). В программе приняли участие крупные OEM, различные консорциумы и исследовательские группы. Основная цель программы — рассмотрение возможности исключения свинца из электронной аппаратуры.

В Лондоне организован Центр по исследованию бессвинцовой технологии (Lead-free Soldering Technology Centre) для оказания содействия фирмам при переходе на новую технологию [2]. Центр создан по инициативе Международного института олова ITRI (International Tin Research Institute), изучавшего проблему в течение последних нескольких лет.

В Центре проводятся исследования по металлургии и надежности паяных соединений, бессвинцовой технологии производства печатных плат и компонентов, утилизации приборов. Центр организует семинары и лекции по бессвинцовой тематике, например «Технология пайки нового тысячелетия» (Soldering Technology for the New Millennium).

Работы по бессвинцовым припоям проводятся также в Национальном технологическом центре NCMS (National Center for Manufacturing Sciences) в рамках проекта Lead-free Solder Project. О своем намерении совместно исследовать бессвинцовые припои и покрытия сообщили National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) и Interconnection Technology Research Institute (ITRI).

Японская ассоциация производителей электронной аппаратуры ЛБРД разработала и приняла программу перехода на бессвинцовую технологию, что оказало положительное влияние на большинство мировых производителей электроники.

Бессвинцовые припои

Сегодня выдано более ста патентов на сплавы различных составов для замены свинцовых припоев. Не все сплавы коммерческие, но выбор достаточно широкий. В настоящее время сложно ответить на вопрос, какой сплав самый лучший, поскольку абсолютно равноценной замены до сих пор не предложено. Сплавы отличаются как по температуре плавления, так и по смачиваемости, прочности, стоимости. Каждый припой обладает уникальным сочетанием свойств, что затрудняет окончательный выбор.

При переводе изделий на бессвинцовую пайку приходится учитывать целый ряд факторов. Припои подбирают, исходя из особенностей конструкции устройства, топологии печатной платы, механических и электрических характеристик блока, условий его эксплуатации. При выборе учитывают также температуру плавления припоя, надежность паяных соединений, устойчивость монтируемых компонентов к температуре пайки, различия режимов при пайке оплавлением и волной припоя.

Основной критерий при выборе припоя — это температура плавления. Все припои по этому признаку можно разделить на четыре группы: низкотемпературные (температура плавления ниже 180°С), с температурой плавления, равной эвтектике Бп63/РЬ37 (180…200°С), со средней температурой плавле-

ния (200…230°С) и высокотемпературные (230…350°С). Основные типы бессвинцовых припоев приведены в таблице 1.

Низкотемпературные припои имеют ограниченное применение. В их состав входят, кроме олова, висмут и индий. Самые распространенные эвтектические сплавы — олово-висмут и олово-индий. Трудно ожидать, что сплавы с низкой температурой плавления обеспечат надежные паяные соединения при высоких температурах эксплуатации. Существуют также ограничения по поставкам индия и висмута, высока стоимость припоев на их основе.

Большинство среднетемператур-ных припоев для замены свинца -это сложные по составу сплавы на основе олова с добавлением меди, серебра, висмута и сурьмы. К сожалению, ни один из них не может полностью заменить Бп63/РЬ37, у всех сплавов выше температура плавления. Наиболее близкий по своим свойствам припой Бп95,5/Дд3,8/ Си0,7 сегодня используется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже.

Сплавы с большим содержанием свинца имеют температуру плавления около 230°С. В этом температурном диапазоне практически отсутствуют бессвинцовые припои для замены. Самый дешевый заменитель — это припой Бп99,3/Си0,7,

который рекомендован для пайки волной припоя. Недостаток Бп/Си-припоев — высокая температура плавления (227°С для эвтектики) и низкая прочность. Предпочтительны эвтектические сплавы, поскольку их кристаллизация происходит в узком температурном диапазоне, при этом отсутствует смещение компонентов, в результате чего достигается более высокая надежность соединений (меньше вероятность получения «холодных» паек).

Лучшими свойствами обладают сплавы Бп/Дд, у них более высокая смачиваемость и прочность по сравнению с Бп/Си. Эвтектический сплав Бп96,5/Дд3,5 с температурой плавления 221°С при испытаниях на тер-моциклирование показал более высокую надежность по сравнению с Бп/РЬ. Припой Бп96,5/Дд3,5 многие годы успешно применяется в специальной аппаратуре.

Эвтектический припой Бп95,5/ Дд3,8/Си0,7 был получен в результате доработки базового сплава Бп/ Ад. Четыре года назад этот сплав был неизвестен, поскольку припой Бп/Дд/Си имел более низкую точку плавления (217°С) по сравнению с Бп/Дд. Точный состав этого припоя по-прежнему остается предметом для обсуждения. Бп/Дд/Си может быть использован для получения как универсальных, так и высокотемпературных припоев.

Таблица 1. Основные типы бессвинцовых припоев

Sn93,5/Ag3,5/Bi3 имеет более низкую температуру плавления и более высокую надежность паяных соединений. Сплав обладает наилучшей паяемостью среди всех бессвинцовых припоев. Добавление меди и/ или германия к Sn/Ag/Bi значительно повышает смачиваемость, а также прочность паяного соединения.

Припой Sn89/Zn8/Bi3 имеет температуру плавления, близкую к эвтектике Sn/Pb, однако наличие в его составе цинка приводит к ряду проблем. Припойные пасты на этой основе имеют короткое время жизни, требуется флюс повышенной активности, при оплавлении образуется труднорастворимая окалина, паяные соединения подвержены коррозии, требуется обязательная промывка соединений после пайки.

Сегодня в промышленности сложилось единое мнение, что наилучшей альтернативой для замены эвтектики Sn62/Pb38 в аппаратуре общего назначении является сплав Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 с температурой плавления 217°C (что на 34°C выше Sn62/Pb38). Это незначительное, на первый взгляд, изменение режима пайки может привести к серьезным проблемам при монтаже аппаратуры, кардинальным изменениям в используемых материалах и техпроцессах.

National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) рекомендует для пайки оплавлением сплав Sn3,9/Ag0,6/Cu, для пайки волной -менее дорогие припои Sn0,7/Cu и Sn3,5/Ag, поскольку во втором случае требуются большие объемы припойного материала. Такого же мнения придерживается и европейский консорциум IDEALS.

JEIPA предлагается три сплава для замены Sn/Pb — олово/серебро/ медь (Sn/Ag/Cu) и два сплава на основе олово/серебро/висмут (Sn/Ag/Bi). Panasonic рассматривает возможность использования нескольких бессвинцовых припоев, включая Sn/ Ag/Bi, лучший из которых определится в процессе промышленных испытаний.

Результаты проводимых во многих странах исследований говорят о том, что на сегодняшний день лиде-

ром в бессвинцовой гонке являются сплавы системы Sn/Ag/Cu. Возможно, в будущем будут найдены и другие составы, но к тому времени Sn/ Ag/Cu займет настолько прочные позиции в промышленности, что сместить его с пьедестала будет практически невозможно.

Бессвинцовые покрытия

До сих пор не найдена достойная бессвинцовая замена для покрытия выводов компонентов. В свое время производители компонентов не проявляли должной активности в поиске заменителей, считая, по-видимому, затею с бессвинцовой технологией малоперспективной. Сегодня ситуация резко изменилась. Крупные поставщики компонентов один за другим анонсируют свои планы по выводу на рынок бессвинцовых изделий, причем большинство обещает представить такие приборы до 2004 года.

Использование бессвинцовых покрытий при производстве печатных плат не является какой-то новостью. Промышленность в течение многих лет применяет сплавы типа ІЧІ/Аи, Pd/Ni, Бп, Ад, Pd, имидазол (С3Н4Ы2) и ОБР. Сегодня проблема состоит в том, что для бессвинцовой технологии нужно выбрать один из них, но до сих пор неясно, на каком материале остановиться.

Проведенные в NCMБ исследования показали, что смачиваемость четырех из пяти бессвинцовых покрытий (имидазол, горячий Бп, Pd/Ni и Pd) не выдерживает критики по сравнению с эвтектикой Бп^Ь. Наиболее перспективным покрытием для пайки меди бессвинцовыми припоями признан имидазол. Покрытия Бп, Pd и Аи обеспечивают хорошую смачиваемость практически для всех припоев, однако плохо работают с Бп58/ВІ по меди.

Перспективными для производства бессвинцовых печатных плат считаются также сплавы системы Бп/Си, близкие к Бп^Ь по своим характеристикам. Однако более высокая температура процесса может вызвать нежелательные эффекты. После нескольких циклов оплавления и/или ремонта покрытия теряют свои защитные свойства.

Флюсы

Флюсы для пайки аппаратуры делятся на две группы: неактивированные — на основе канифоли и полиэфирных смол, и активированные. Канифоль состоит из смеси нескольких слабых органических кислот, основная из которых — абиетиновая, растворяющая оксиды меди, но не воздействующая на чистую медь. Вместе с тем абиетина-ты меди не являются коррозионными продуктами.

Канифоль и полиэфирные смолы, попадая в диэлектрик печатной платы, не снижают его сопротивление изоляции. Неактивированные флюсы широко применяются для пайки изделий ответственного назначения и в качестве консервирующих покрытий, сохраняющих паяемость печатных плат в условиях длительного складского хранения.

В активированных флюсах, как это следует из названия, присутствуют активаторы — вещества, повыша-

ющие флюсующую активность. Среди них — амины, слабые органические кислоты и другие. Активаторы, как правило, содержат ионы галогенов или активные остатки, снижающие сопротивление изоляции диэлектриков. Поэтому активированные флюсы и их остатки следует тщательно отмывать. Их рекомендуется применять при высокопроизводительной механизированной пайке, пайке плохо смачиваемых металлов (например, никеля). К этой группе относятся также водорастворимые флюсы, не содержащие канифоли.

Режим пайки волной при переходе от Бп/РЬ к бессвинцовым припоям изменился незначительно. В таких системах могут быть использованы прежние флюсы. При бессвинцовой пайке волной более предпочтительны водорастворимые флюсы. Температура бессвинцовой пайки несколько выше (примерно на 30°С), что следует учитывать при выборе флюса. Для высокотемпературных припоев используются флюсы исключительно на основе канифоли.

Вводимый в припойную пасту флюс играет ту же роль, что и при пайке компактным припоем. Обычно в пасту вводят те же флюсы, которые используются и при обычной пайке.

Очистка функциональных узлов после пайки

Наиболее перспективный сплав для замены — эвтектика Бп95,5/Дд3,8/Си0,7, однако высокий уровень содержания олова приводит к окислению паяного соединения, продукты которого с трудом удаляются существующими растворителями и моющими жидкостями, разработанными под эвтектический оловянно-свинцовый припой.

Для достижения высокого качества отмывки требуются более агрессивные растворители. Остатки флюса при бессвинцовой пайке отличаются по составу от традиционных. Накопленный опыт свидетельствует, что при более высокой температуре сложнее удалять остатки флюса из паяного соединения. Подробные сведения о результатах испытаний различных моющих жидкостей при бессвинцовой пайке приведены в [3].

Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса

Если говорить о принципиальных моментах, то бессвинцовая пайка практически ничем, кроме более высокой температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-техноло-гии. Однако могут потребоваться некоторые изменения на определенных операциях техпроцесса. Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на характеристики припойной пасты. Могут измениться такие свойства паст, как срок службы и хранения, текучесть, что потребует изменения конструкции ракеля и режимов оплавления.

При воздействии повышенной температуры пайки может произойти вспучивание корпусов ИС, растрескивание кристаллов, нарушение функционирования схем. Схожие эффекты возникают и в печатных платах. Под действием температуры происходит расслоение основания, ухудшается плоскостность, что отрицательно сказывается на точности установки ИС, особенно в корпусах больших размеров.

Для оценки влияния повышенной температуры и более длительного времени пайки требуется переаттестация существующей технологии пайки. Такие исследования сегодня проводятся SEMI и JEDEC. Большинство компонентов совместимы с таким температурным режимом бессвинцовой пайки. Исключение составляют некоторые типы интегральных схем, конденсаторов и соединителей, предельная температура пайки для которых не должна превышать 225…230°C.

Что касается оплавления, то влияние бессвинцовой пайки неодинаково на различных стадиях процесса. Все основные изменения связаны, в первую очередь, с более высокой температурой пайки. Требуется более тщательный выбор компонентов и материалов основания платы. Другие проблемы касаются охлаждения устройства и поддержки платы.

Проводились исследования стандартной технологии монтажа на поверхность и пайки волной припоя [4].

На выбор сплава оказывают влияние как экономические, так и технологические факторы. Так, например, сплавы на основе индия весьма дороги, их нерационально использовать для пайки волной, когда необходимо загружать в ванну большое количество припоя. Однако этот материал может быть с успехом применен для изготовления выводов flip-chip-кристаллов.

Промышленность уже начала выпуск бессвинцовых приборов, однако большинство из них имеет небольшие размеры и минимальный температурный градиент. Такие функциональные узлы позволяют использовать невысокую температуру плавления (230…235°C). При монтаже плат больших размеров с массивными компонентами потребуется либо увеличивать время воздействия температуры, либо повышать температуру пайки, что следует учитывать при выборе компонентов и материалов печатных плат.

Определенное беспокойство в промышленности вызывает более высокая, по сравнению с Sn/Pb, температура пайки припоями системы Sn/Ag/Cu. Однако имеются обнадеживающие результаты исследований IDEALS, которые показывают, что при пайке в атмосфере азота возможно несколько снизить температуру процесса, уменьшить образование окислов и значительно сократить время смачивания.

В недавно опубликованном отчете Департамента торговли и промышленности (Department of Trade and Industry) Англии максимальная температура при оплавлении не превышает 220…250°C, в зависимости от марки припоя, конструкции функционального узла и типа оборудования. Были получены надежные паяные соединения при пайке в течение 10 минут при температуре 225°C. При более высокой температуре качество соединений улучшалось. Пайка волной припоя наиболее эффективна при 240…260°C.

Коммерческие бессвинцовые приборы

Промышленность выпускает несколько типов бессвинцовых прибо-

ров, модулей памяти и интегральных схем.

Первенцем бессвинцовой технологии можно считать MiniDisc-пле-ер, который компания Panasonic выпустила в октябре 1998 года. При монтаже этого прибора использовался припой Sn/Ag/Bi. На сегодняшний день выпущено и реализовано свыше 500 000 таких устройств.

Следующим прибором, который компания намерена перевести на бессвинцовую технологию, является видеокарта 861 серии. Карта Panasert 861 — изделие больших размеров — изготавливается по смешанной технологии — оплавлением и волной припоя. При ее производстве планируется использовать припои Sn3,5/Ag3/Bi для пайки оплавлением и Sn0,7/Cu для волны.

Hyundai Electronics Industries (HEI) разработала бессвинцовую технологию производства модулей памяти и корпусов ИС. Первым «зеленым» устройством, выпущенным фирмой,

стал модуль 128 Мбит DRAM в «бессвинцовом» корпусе с размерами кристалла CSP (Chip Scale Package). Температура бессвинцовой пайки на 30°C превышает стандартную, однако фирма гарантирует надежность новых ИС на уровне классических приборов. Промышленная эксплуатация новой технологической линии началась в 2001 году [5, 6].

Будущее бессвинцовой технологии

Есть ли будущее у бессвинцовой технологии? Не тупиковая ли это ветвь развития электроники? На эти вопросы ответит только время.

Несомненно, в ближайшем будущем потребуются дополнительные исследования бессвинцовых припоев, влияния повышенной температуры на надежность компонентов, совместимости покрытий с бессвинцовыми припоями, реакции материалов оснований печатных плат на повышенную температуру, возможности ремонта и восстановления бессвинцовых соединений. И это не самые сложные из вопросов, которые предстоит решить.

Литература