Особенности кристаллизации припоев эвтектического состава

Выбор флюсов

Очень важно, чтобы флюс работал в широком диапазоне температур: 130…320°С. Распространенный сегодня флюс VOC (Volative Organic Compounds — композиция с органическими испаряющимися компонентами) не удовлетворяет требованиям бессвинцовой пайки. Его органический компонент испаряется при низких температурах.

В момент расплавления и смачивания припоем он уже отсутствует. Экологи считают, что органический компонент VOC относится к веществам, разрушающим озоновый слой. Поэтому в бессвинцовой пайке используют флюсы на водной основе, не содержащие VOC-компонента. Их преимущества состоят в невоспламеняемости, меньшей интенсивности испарения, способности быть активными в широком температурном диапазоне.

Основные данные

Популярность припоев из олова и свинца объясняется несколькими обстоятельствами.

Главная особенность сплавов – способность при определенном соотношении компонентов образовывать состав с эвтектическими свойствами. Это межметаллическая система, температура плавления которой меньше, чем ожидаемые значения.

Можно себе представить радость первооткрывателей, которые обнаружили, что оловянно-свинцовый сплав для превращения в жидкое состояние можно нагревать до меньшей температуры.

Интересно, что эвтектическая смесь может служить растворителем, в котором распределяется при добавлении определенное дополнительное количество какого-либо металла.

Так были разработаны разнообразные марки припоев ПОС. В их технических характеристиках указаны пропорции, значения физических констант.

Покрытия компонентов

Чтобы избежать проблем расслоения и коробления оснований печатных плат, их необходимо изготавливать из материалов с большей температурой стеклования (Tg) — около 150°С и выше. Группа материалов типа FR-41 с Tg = 125°С, обычно используемая при пайке сплавом SnPb, уже не годится для пайки сплавом SnAgCu.

Законы Евросоюза RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment) предлагают уйти от галогеновых пламегасителей, входящих в состав связующего материала печатных плат массового применения. Материалы FR-4 с таким связующим имеют Tg в диапазоне 130…

щих компонентов вводят целлюлозную (СЕМ-1) или стеклянную (СЕМ-3) бумагу (CEM — Composite Epoxy Material). Такие материалы мягче для сверления, при их использовании стенки отверстий ровнее, а расход сверл меньше, что создает им некоторые преимущества перед FR-4 [2, 3].

Компоненты — наиболее слабое звено в бессвинцовой пайке. Вся масса компонентов, находящаяся сегодня в обращении на рынке, предназначена для пайки SnPb-припоями. Первые компоненты для бессвинцовой пайки поступили в продажу в 2000 г. Они имели следующие покрытия для пайки: Sn, SnCu и SnBi. Но для бессвинцовой пайки стандарты на покрытия компонентов до сих пор отсутствуют, поэтому фирмы, выпускающие отдельные партии компонентов для бессвинцовой пайки, действуют на свой страх и риск.

— дискретные компоненты, такие как чип-резисторы;

— SMT-компоненты, такие как PQFP;

— корпуса с шариковыми выводами, такие как BGA-компоненты;

— компоненты с выводами для пайки в отверстия, такие как DIP-компоненты.

— матовое гальваническое олово для дискретных компонентов;

— матовое гальваническое олово для SMT-компонентов с коротким жизненным циклом (5 лет и менее);

— матовое гальваническое олово с никелевым подслоем для долгожи-вущих компонентов (более 5 лет);

— Sn4Ag0,5Cu для шариковых выводов BGA;

— гальваническое олово или лужение выводов компонентов с выводами для пайки в отверстия [14].

Покрытие SnPb совершенно не совместимо с бессвинцовой пайкой. Вообще, о совместимости припоев разных систем приходится говорить, когда компоненты имеют SnPb-покрытие, а используются в бессвинцовых процессах. Такое совмещение становится источником дефектов. Это в особой мере относится к таким компонентам, как BGA и QFP. Некоторые покрытия, например, SnPbBi (90°С), SnBi (138°С), SnPbAg (179°С) и SnPb

(183°С), уменьшают температуру плавления. Но они создают риск в управлении процессом бессвинцовой пайки и снижают ее надежность. Риск выхода пайки из-под контроля увеличивается и в случае, когда компоненты имеют бессвинцовые покрытия, а паяются SnPb-припоем. При этом возникает возможность расслоения пайки и разбрызгивания легкоплавкого припоя.

Распределение используемых покрытий компонентов (2003 г.) показано на рисунке 1.

Рис. 1. Разнообразие покрытий компонентов под пайку

Чистое олово хорошо паяется в широком диапазоне температур. Однако его использование опасно из-за возможности рекристаллизации при температуре ниже 13°С («оловянная чума») и образования усов. Но после пайки чистое олово перестает быть таковым, и потому эти опасения не оправданы.

SnBi. Эвтектический сплав 42Sn58Bi имеет температуру плавления 138°С. Аналогичный сплав, но содержащий 3% висмута, плавится при температуре 215…220°С. Эти сплавы также проявляют способность к образованию усов, и в сочетании с SnPb-припоями после пайки эта опасность не исчезает.

SnAg. Эти сплавы проявляют хорошую паяемость и хорошие механические свойства, однако они дороги. Сплав Sn3,5Ag относительно дешев, но проявляет склонность к образованию усов. Сплав Sn5,0Ag лишен этого недостатка, но он дороже и имеет неприемлемо высокую температуру плавления.

NiPd были освоены фирмой Texas Instruments в 1989 г. За это время фирма продала миллионы компонентов с этим покрытием и не имеет нареканий.

SnCu. Эвтектический сплав Sn0,7Cu — относительно дешевый, мелкозернистый припой, демонстрирующий хорошую паяемость. Но и он проявляет склонность к рекристаллизации олова и образованию усов. Плавится при температуре 227°С.

Высокие температуры пайки приводят к необходимости требовать от компонентов успешного прохождения испытаний на термоудар, который происходит при погружении в припой на 10 с при температуре 260°С или на 5 с при температуре 280°С. Корпуса не должны взрываться (эффект «попкорн»), деформироваться, обесцвечиваться или подплавляться.

пара вызывает вздутие (эффект «попкорн»), разрывы, трещины. Даже если пластмассы не трещат, они могут расслаиваться внутри корпуса. Диффузия влаги в объем компаунда пропорциональна температуре и относительной влажности среды. Полное равновесие с внешней средой наступает тем раньше, чем меньше объем корпуса.

— предварительный нагрев для полного удаления остаточной влаги из объема корпуса;

— контролируемое увлажнение корпуса в заданных температурно-влажностных условиях;

— термоудар, имитирующий процесс пайки.

Существуют нормативные документы [12], определяющие уровни температуры и влажности, после которых корпуса компонентов должны выдерживать термоудар. В последующем эти уровни соотносятся с разрешенным временем пребывания распакованных компонентов в контролируемой среде цеха до поступления на сборочно-мон-тажную линию.

В таблице 3 показаны режимы испытаний, имитирующие условия пайки оплавлением эвтектическим сплавом олово-свинец и бессвинцовыми сплавами. На температурном профиле пайки (см. рис. 2) показаны обозначения, использованные в таблице 3.

Таблица 3. Испытательные режимы нагрева компонентов, имитирующие условия пайки оплавлением. Сравнение режимов пайки оловом-свинцом и бессвинцовыми припоями

Характеристики отдельных марок

Все представители категории относятся к легкоплавким припоям. Оловянно-свинцовые сплавы при любом соотношении исходных металлов плавятся при температуре до 450 °С. Характеристики припоев ПОС регламентированы ГОСТом.

Производители поставляют припойную продукцию:

• в литых чушках;
• в виде проволочных изделий;
• лентообразной фольги;
• трубчатой продукции с флюсами внутри;
• порошков или пастообразной массы.

В сплаве, содержащем 90 % олова, остальную часть массы составляет свинец. Припой ПОС-90 имеет температуру плавления 220 ℃.

Применяется для пайки изделий, которые впоследствии будут подвергаться гальванической обработке золотом или серебром.

Оловянно-свинцовый припой с 61 % олова имеет более доступную температуру плавления, равную 191 °С. ПОС-61 используется для изготовления тонких контактов деталей из медных и стальных сплавов в различных измерительных приборах. Места нанесения сплава не должны подвергаться сильному нагреванию.

Припой модно применять для пайки проводов, имеющих толщину до 0,08 мм, в обмотке. Он может подвергаться действию токов высокой частоты.

Припой используют во всех ситуациях, требующих большой прочности и надежности соединения радиоэлементов, компонентов микросхем. Им можно паять провода, защищенные оболочкой из поливинилхлорида.

Оловянно-свинцовый припой, содержащий равные доли двух металлов, обозначается как ПОС-50. Он плавится при температуре 222 ℃. Применим во всех ситуациях, где может использоваться ПОС-61.

Отличие сводится к тому, что данный припой имеет более высокую температуру плавления. Если контакт может нагреваться это качество будет полезным.

Швы, для которых велика вероятность нагрева до еще более высоких температур, следует паять посредством припоя ПОС-40. Температура плавления оловянно-свинцового сплава, содержащего от 39 % до 41 % олова, составляет 238 °С.

Обращаем внимание на то, что представленные показатели характерны для окончательного плавления сплава. Начинается процесс при несколько более низких температурах.

Сплав предназначен для работы с проводами, деталями из разных металлов. Образующийся шов имеет меньший запас прочности, чем соединения, полученные сплавами с большей массовой долей олова. Припой используют для получения соединений, не подвергающихся большой механической нагрузке.

Еще большую температуру окончательного расплавления имеет сплав ПОС-30. Она равна 256 ℃.

Этот оловянно-свинцовый припой используется для пайки швов, не подлежащих нагрузке, из медных и стальных материалов.

Припой ПОС-18 окончательно расплавляется при 277 ℃. Образующийся шов имеет небольшую механическую устойчивость.

Представленный оловянно-свинцовый сплав можно применять для лужения, пайки ненагружаемых медных деталей, изделий из оцинкованного железа.

Оловянно-свинцовый сплав, содержащий всего 10 % олова, имеет максимальную в этом ряду температуру плавления, равную 299 ℃, и минимальную прочность.

ПОС-10 может использоваться для пайки, лужения контактов на поверхности приборов реле. ГОСТ позволяет применять состав для обработки контрольных точек в топках паровозов. В настоящее время паровозы остались уже только в музеях, иногда их приходится ремонтировать, реставрировать.

Металлизация отверстий

Пластичность медных осадков должна соотноситься с температурным расширением основания плат по оси Z. Оно будет явно больше при более высоких температурах пайки бессвинцовыми припоями. Чтобы устоять перед расширением основания и гарантировать большую прочность и большую пластичность медных осадков, необходимо более жестко управлять процессом металлизации сквозных отверстий.

Для обеспечения прогрева сквозных монтажных отверстий до более высоких температур, свойственных бессвинцовым пайкам, необходимо обеспечить соответствующую теплопроводность металлизации за счет увеличения ее толщины. Вышеописанное вынуждает пересмотреть нормы требований к технологии металлизации отверстий печатных плат [4].

Группа специальных сплавов

При добавлении в состав металлических композиций в небольших количествах сурьмы значительно увеличивается прочность шовных соединений.

Материал обозначается маркировкой «ПОСсу», имеет температуры плавления от 189 ℃ (у состава со следовым содержанием сурьмы) до 270 ℃ (у припоя с содержанием сурьмы, достигающим 4 %, в некоторых даже 6 %).

Материалы первой подгруппы с концентрацией добавки, измеряющейся в сотых долях процента – это малосурьмянистые марки.

Такие припои применяются в авиа- и автомобилестроении, при производстве холодильного оборудования, пищевой посуды, подлежащей последующему лужению.

Металлические оловянно-свинцовые композиции с концентрацией сурьмы от 1,5 % до 6 % называются сурьмянистыми. Они рекомендованы к применению в электролампах, трубчатых радиаторах, белой жести.

Прибавка сурьмы удешевляет оловянно-свинцовый материал, но спаивание происходит сложнее. Незначительное изменение оловянно-свинцового композита заметно уменьшает смачивающие способности расплава. Работать с этим расходным материалом могут только профессионалы.

Таблица 2. Сурьмянистые припои

Заметно понижает температуру плавления оловянно-свинцовых припоев добавка кадмия. Например, сплав ПОСК-50-18, содержащий от 49 % до 51 % олова, от 17 % до 19 % кадмия имеет температуру плавления 145 ℃.

Это удобное в работе качество, вдвойне приятное тем, что образующиеся швы имеют большую механическую прочность. Оловянно-свинцовые припои с кадмием применяют при работе с металлизированной и керамической продукцией.

Вопрос о применении расходного материала решается с учетом конкретной производственной ситуации.

К оловянно-свинцовым композициям условно можно отнести сплавы, носящие имена ученых-разработчиков. Низкую температуру плавления, всего 94 ℃ имеет эвтектический сплав Розе.

В его составе содержится 50 % висмута. Остальную часть массы приблизительно в равных долях занимают олово и свинец. Материал используется для работы с медью, изготовления элементов автоматики с фиксированной эксплуатационной температурой.

Еще меньшую температуру плавления имеет оловянно-свинцовый припой Вуда. Она равна 68,5 ℃. Материал содержит 50 % висмута, 25 % свинца, а остальную массовую часть поровну составляют олово и кадмий. Применяют при изготовлении датчиков противопожарной сигнализации, прецизионной техники.

Сплав Д, Арсе содержит около 10 % олова, остальные 90 % составляют висмут и свинец в равных долях. Материал имеет температуру плавления 79 ℃. Применяется для спаивания легкоплавких металлов.

Покрытия под бессвинцовую пайку

— OSP (Organic Solderability Preservative);

— NiAu (ENIG — Electroless Ni {amp}amp; Immersion Gold — химический никель и иммерсионное золото);

— ImAg (Immersion Ag);

— ImBi (Immersion Bi);

— Pd (Electroplate or Electroless Pd — химический или гальванический палладий);

— NiPd (Electroless Ni {amp}amp; Immersion Pd);

— NiPdAu (Electroless NiPd {amp}amp; Immersion Au);

— ImSn (Immercion Sn);

— NiSn (Electroplate Ni {amp}amp; Sn);

— SnAg (Electroplate Sn {amp}amp; Ag);

— HALS (Hot-Air Solder Leveling).

В этом ряду лидирующими покрытиями печатных плат под бессвинцовую пайку являются OSP, ENIG, ImAg и HALS с припоем SnCu [5—7].

HASL-процесс горячего облужива-ния плат состоит в их погружении на

ограниченное время в ванну с расплавленным припоем. Во время быстрой выемки плат их обдувают струей горячего воздуха, которая сдувает излишки припоя и выравнивает покрытие. Но, несмотря на старания, наплывы припоя остаются. Особенно много их на развитых металлических поверхностях. В последующей сборке наплывы мешают установке мелких компонентов, что ограничивает применение HASL.

Еще один существенный недостаток HASL-процесса — жесткий термоудар, который испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Чем выше рабочая температура припоя, тем серьезнее проблема обеспечения надежности межсоединений. Ряд предприятий не использует HASL-процессы для многослойных плат, считая, что они уменьшают надежность внутренних межсоединений из-за таких термоударов. Приемлемые по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASL-процессов на сегодняшний день отсутствуют.

Покрытие ОБР обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки этот слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки. В Японии это дешевое покрытие применяется более 20 лет. Но чтобы процесс пайки проходил в одну стадию группового нагрева, конструкторы изделий учитывают эту особенность в целях снижения себестоимости.

OSP — хорошая альтернатива HASL. Но OSP имеет короткий жизненный цикл, что негативно сказывается на технологической надежности. Это покрытие не обеспечивает многократную пайку, тем более при высоких температурах. Чтобы избежать этих затруднений, приходится использовать азот в качестве нейтральной среды пайки [8].

Покрытие Е1ЧЮ (~4 мкм N1 ~0,1 мкм Аи) — другая альтернатива HASL-процессам. Это покрытие свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Тонкий слой золота защищает никель от окисления, а никель становится барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Характерный для покрытия ЕОТО дефект — черные контактные площад-

ки, появляющиеся на поверхности из-за выделения никеля и восстановленного фосфора. Во время пайки золото растворяется в припое и обнажает плохо паяемый слой фосфора. Припой скатывается с фосфорированной поверхности, из-за чего и проявляется эффект черной контактной площадки. Черные контактные площадки могут возникать также при передержке процесса пайки.

— жизнеспособность более года;

— плоская контактная поверхность;

— хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса;

— неокисляемая поверхность нажимных и скользящих контактов [9].

Иммерсионное олово (ImSn) — еще одна альтернатива HASL-процес-сам. Популярность ImSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости и простоты процесса осаждения. ImSn демонстрирует лучшую па-яемость, чем ENIG.

— самопроизвольные нитевидные кристаллические образования (усы), которые могут приводить к короткому замыканию;

— образование интерметаллических соединений CuXSnY. При этом способность к пайке исчезает, поскольку толщина иммерсионного олова не превышает 1 мкм и CuXSnY быстро поглощает этот тонкий слой. В последнее время возможность этого явления предотвращают введением барьерного подслоя различного содержания: ме-таллоорганика и др.

— низкая стоимость процесса осаждения;

— хорошая паяемость;

— плоская поверхность покрытия (в отличие от HASL);

— хорошие условия для обеспечения беспаянных соединений Press-Fit (впрессовывание штырей-хвостовиков разъемов в металлизированные отверстия плат).

Иммерсионное серебро (ImAg). Толщина ImAg не превышает 200 нм, поэтому расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImAg гораздо выше, чем OSP, но несколько меньше, чем ENIG. Изменение цвета покрытия в

процессе хранения, сборки и пайки — результат загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами. Пожелтение не сказывается на свойствах ImAg, но декоративность покрытия при этом страдает. Консервирующие покрытия антиокислителей тормозят процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия. ImAg менее популярно в Европе, чем в США, где оно более доступно [10, 11].

Заключение

Мы видим, что переход к бессвинцовой технологии набирает темпы. Все более четко обрисовываются ее

контуры, скоро начнется этап международной стандартизации. Можно ли остановить этот процесс? Или хотя бы вмешаться? В отличие от Европейских стран мы не имеем национальной ассоциации, которая бы выражала нашу позицию и защищала наши интересы на международной арене. Нас никто не слышит. Между тем, обособленное положение российской электронной индустрии позволило бы нам не стесняться называть вещи своими именами.

Российские экологи, к счастью, еще не додумались присоединиться к общемировой тенденции избавления электронного, электротехнического и автомобильного производства от свинца. Возможно, они понимают, что эта область использования свинца — «капля в море» в общем облаке свинцовой грязи, отравляющей природу.

Казалось бы, пока электронные продукты российского производства

не идут на экспорт, можно ничего и не предпринимать. Но опасность подстерегает нас с другой стороны. Наступит время, когда компоненты с покрытиями под SnPb-припой закончатся, а импорт компонентов с бессвинцовыми покрытиями заставит нас что-то предпринимать. Вслед за этим прекратятся поставки по импорту SnPb-при-поев и флюсов для них.

Но, может быть, мир одумается?

Литература.

1. Григорьев В. Бессвинцовая технология — требование времени или прихоть законодателей от экологии? Электронные компоненты, 2001, №6.