Припой ПОС 61. Технические характеристики, состав и цены

Пайка кристаллов к основаниям корпусов ппи

Существуют различные способы монтажа полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов. Качество пайки кристалла с основанием корпуса во многом зависит от месторасположения припоя перед пайкой. Возможно традиционное размещение прокладки припоя непосредственно под кристаллом, однако в процессе пайки оксидные пленки и загрязнения на поверхности прокладки при расплавлении остаются в зоне шва, что ухудшает смачиваемость припоем поверхности кристалла и основания корпуса, нарушает сплошность шва, а это, в свою очередь, приводит к ухудшению теплопроводности шва и снижению надежности полупроводниковых изделий.

Для улучшения смачивания припоем паяемой поверхности кристалла и основания корпуса широко используется капиллярный эффект заполнения зазора припоем в процессе пайки кристалла [27]. Перед пайкой в непосредственном касании одной из боковых граней кристалла располагается навеска припоя в виде одного или двух шариков (в зависимости от площади кристалла).

Детали фиксируются относительно корпуса специальной кассетой. Кассету со сборками помещают в водородную печь, где при температуре пайки происходит расплавление припоя, который под действием капиллярных сил заполняет зазор между кристаллом и корпусом, смачивает паяемые поверхности и при кристаллизации образует паяный шов.

Основным недостатком данного способа является высокая температура нагрева, которая значительно выше температуры плавления припоя. Это необходимо для разрушения оксидной пленки припоя и обеспечения его капиллярного течения. Кроме того, при пайке кристаллов больших размеров, особенно в полупроводниковых приборах для силовой электроники, невозможно получить площадь спая, равную площади кристалла.

Для увеличения площади спая между кристаллом и корпусом на верхней плоскости корпуса формируют V-образные канавки глубиной 25-75 мкм, располагаемые друг от друга на расстоянии 0,25-1 мкм. В случае использования корпусов с канавками необходимо при пайке корпус или кристалл подвергать воздействию ультразвуковых или низкочастотных колебаний.

При пайке кристаллов размером менее 3×3 мм используют как ультразвуковые, так и низкочастотные колебания, а при пайке кристаллов больших размеров применяются в основном низкочастотные колебания с амплитудой до 0,5-0,8 мм.

Для контактно-реактивной низкотемпературной пайки бессвинцовистыми припоями фирма Resma (Freiberg, Германия) выпускает пасту на основе композиционного припоя [29]. В комбинации порошков нескольких припоев с реактивной присадкой при расплавлении протекают реакции, ускоряющие процесс пайки.

Разработан способ монтажа кристаллов БИС с использованием припоя на основе цинка [30], по которому на паяемую сторону кристалла напыляют алюминий толщиной 0,7-1,2 мкм, а затем проводят пайку к корпусу, покрытому припоем цинк-алюминий-германий (ЦАГ).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость изготовления полупроводниковых изделий, заключающаяся в изготовлении сплава ЦАГ и нанесении его на монтажную площадку методом электрического взрыва фольги. Это требует наличия специального дорогостоящего оборудования.

Кроме того, при посадке кристаллов на сплав ЦАГ необходимо создавать наименьшее удельное давление кристалла на расплав и выполнять траектории движения кристалла в виде восьмерки для разрушения поверхностной оксидной пленки. Соблюдение этих требований особенно необходимо для кристаллов с размерами, превышающими 4×4 мм, так как с ростом площади кристалла увеличивается вероятность непропаев и оксидных включений.

Для пайки полупроводниковых кристаллов силовых полупроводниковых приборов с использованием бессвинцовых припоев разработан еще один способ [31]. Сущность его заключается в том, что на алюминий на паяемой стороне кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают исходя из заданной толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк-олово.

Использование предлагаемого способа пайки полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: упрощает технологический процесс, повышает качество паяных соединений, исключает использование свинца при пайке.

Бессвинцовые припои

В статье [7] рассмотрены (в основном по данным отечественной научно-технической информации) составы и температуры плавления бессвинцовых припоев, которые могут быть использованы при пайке полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов и внутренних выводов к контактным площадкам кристалла и корпуса.

В данном разделе по материалам зарубежной информации проанализированы некоторые типы бессвинцовых припоев. В качестве бессвинцовистых припоев рассматриваются сплавы на основе олова с добавлением в него Ag, Cu, Bi, Zn и других металлов. С точки зрения надежности считаются оптимальными сплавы Sn-Ag и Sn-Ag-Cu (95-96,6 Sn / 2,5-4,1 Ag / 0,9 Си) [8].

Эти припои рекомендуются многими исследователями для первоочередного изучения и внедрения. Основной их недостаток при пайке элементов на печатные платы — сравнительно высокая температура плавления (около 220 °С), негативно влияющая на сами ППИ и на плату.

Рис. 1. Зависимость растворения золотой проволоки диаметром 40 мкм от времени выдержки в припоях ПОС61 (а) и ПОИ50 (6) при различных температурах расплава

Рис. 2. Зависимость растворения золотой проволоки диаметром 40 мкм от времени выдержки при температуре 100 °С для различных припоев: 1 – ПСрОСЗ-58; 2 – ПОИ50; 3 – ПОСК50-18

Хорошие результаты показал сплав 95,5 Sn / 4 Ag / 0,5 Си: высокая температура плавления (217 °С) делает его идеальным для пайки изделий, работающих при температуре <175 °С — при некоторых испытаниях он показал лучшую стойкость к переменным температурам, чем припой Sn-Ag [9].

Для пайки без свинца могут использоваться сплавы олова с медью, серебром, висмутом, индием, цинком. Сплав олова с висмутом с малым содержанием олова не намного дороже свинцового сплава, однако имеет низкую температуру плавления (138 °С).

Предлагается сплав для соединения элементов полупроводниковых приборов с получением повышенной стойкости к термической усталости: 81-92 Sn / 3-6 Ag / 0,1-2 Си [10].

Удовлетворительные результаты получены при использовании покрытий из Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn и Sn-Zn. Контактные шарики из сплава Sn-Ag-Cu обеспечивают повышенную циклическую прочность по сравнению с припоями Sn-Pb [8]. При сборке кристаллов больших размеров значительная разница в термических коэффициентах расширения между Si, медной рамкой и пластмассовым заполнителем приводит к появлению значительных напряжений и к разрушению пластмассы. Образование трещин по поверхности контакта между соединением и заливочной массой вызывается влажностью.

Для усталостных испытаний соединений деталей, имеющих вид прямоугольной пластинки с гребнями отогнутых проволочных выводов по четырем кромкам, разработана специальная методика [11]. Для экспериментов использовались сплавы 96,5 Sn / 3,5 Ag H91,5Sn/3,5Ag/5Bi.

Некоторые исследователи в качестве припоев рекомендуют использовать трех- и четырех-компонентные сплавы: 55-60 Ag / 25-30 Си / 20-26 Zn; 44-48 Ag / 32-36 Си / 18-22 Sn; 15-20 Ag / 28-32 Си / 51-54 Cd; 40-45 Ag / 12-15 Си / 29-33 Cd / 9-11 Zn; 63-68 Ag / 12-16 Си / 11-15 Sn / 6-9 Zn [12].

Высокими механическими свойствами обладает припой 2-4 Ag / 0,5-2 Zn / 2-3 Bi / Sn — остальное [13].

Для пайки интегральных схем предложен припой Sn-Ag: 3-4 Ag / 2-6 Bi / 2-6 Jn / Sn — остальное [14].

При массовом производстве ППИ отдается предпочтение припоям Sn-Ag-Cu, например,

сплаву 95,5 Sn / 3,8 Ag / 0,7 Си с температурой плавления 217 °С. По своей надежности паяные соединения, выполненные этим припоем, не уступают свинцовистому припою 62Sn/36Pb/2Ag [9, 15].

Никелевое покрытие

Покрытия корпусов ППИ никелем и его сплавами широко используются в электронной промышленности. Основным недостатком никелевых покрытий является низкая

теплостойкость, поэтому они применимы только при низкотемпературном монтаже элементов или при пайке в защитной среде. Для повышения теплостойкости никелевые покрытия легируют тугоплавкими металлами Со, W, Mo, Re и В. Практическое применение нашли никелевые покрытия, легированные до 1% В.

Основной целью никелирования является защита основного металла от коррозии и повышение поверхностной твердости. Для покрытия корпусов приборов (в случае пайки кристаллов в защитной среде) используется химическое никелирование. Химические никелевые покрытия намного тверже электрохимических. Повышенная твердость покрытий во многом зависит от содержания фосфора в осажденных никелевых сплавах и режимов осаждения.

Химическое никелирование осуществляется на медные корпуса из следующего раствора (г/л): никель двухлористый (20), натрий фосфорноватистокислый (25), кислота ами-ноуксусная (15), натрий уксуснокислый (10). Время осаждения покрытия толщиной 4 мкм составляет 40-50 мин при температуре раствора 82-85 °С.

Свойства покрытий существенным образом зависят от подготовки медных корпусов к операции никелирования. Были исследованы покрытия, которые наносились на медные основания корпусов без полирования и с предварительным электрохимическим полированием поверхности [19].

Для повышения блеска, снижения внутренних напряжений в никелевых покрытиях и интенсификации процесса никелирования используют специальный электролит [20]. Электролит состоит (г/л): сернокислый никель (150-250), сернокислый магний (20-60), сернокислый натрий (5-15), борная кислота (25-35), бензолсульфамид (0,1-0,8)

Авторы утверждают, что вводимый в состав электролита бензолсульфамид способствует снижению внутренних напряжений, переводя их из напряжений растяжения в напряжения сжатия [20]. Кроме того, повышается рассеивающая способность электролита. Введение в состав электролита бензолсульфамида положительно сказывается на качестве и свойствах покрытий, которые становятся более плотными, блестящими и не отслаиваются от подложки при деформации.

Популярные разновидности материала

На рынке флюсы для пайки медных труб представлены в самом широком ассортименте.

Наибольшей популярностью пользуются следующие вещества:

• с высокой антикоррозийной способностью;
• с благородными материалами в составе;
• на основе канифоли.

Антикоррозийный флюс состоит из нескольких сложных элементов, растворителей и фосфора. В процессе разогрева они растворяются в жидкости, вступают в реакцию и образуют органические компоненты.

Предохраняют шовную область от окисления и преждевременной коррозии. Способствуют оттоку излишков влаги из зоны спаивания.

Применение флюса в процессе спайки медных труб препятствует образованию пор в структуре шва. Соединение получается цельным и не содержит инородных включений, снижающих прочность стыка

Во втором виде флюсов главным действующим компонентом выступает салициловая кислота. В процессе использования она растворяется в составе из этанола, золотосодержащих веществ и промышленного вазелина.

Создает безупречно ровный, аккуратный и эстетичный соединительный шов, не требующий дополнительной сложной обработки. Не портит материал трубы, прилегающей к зоне обработки

Классический активный флюс содержит канифоль и некоторое количество натриевой соли. Вещество имеет выраженные защитные характеристики и эффективно оберегает трубопровод от проявлений коррозии. Канифоль покрывает шов тонкой и прочной защитной пленкой, а натриевая соль угнетает окислительные процессы.

Смеси, образующие кислоту или содержащие ее изначально, качественно очищают поверхность и удаляют оксидный слой.

Чтобы металл в будущем не испортился и сохранил базовые физические характеристики, обработанную область после пропайки нужно тщательно отмыть

Продается такой флюс за разумные деньги и обеспечивает прочное, надежное соединение.

Однако, готовый шов остается сильно заметным и сразу бросается в глаза на внешних частях медного трубопровода.

Независимо от типа и базового состава, наносить флюс нужно максимально равномерно, не допуская даже миллиметрового пропуска. Если на какой-либо части металла этого покрытия не будет, труба со временем начнет ржаветь и ее потребуется менять.

Главный недостаток флюса на канифоли – термослабость. Он плохо переносит высокие температурные показатели и при постоянном перегреве обугливается

Примеры применения

Компонент резисторов.

В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными.

При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов.

Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Разделение по химическому составу

По химическому составу современные, практичные припои распределяются на мягкие легкоплавкие и твердые тугоплавкие.

В первую категорию входят следующие позиции:

• свинцовые – содержат только свинец в чистом виде и расплавляются при температуре от 180 до 230 °C;
• оловянные – состоят из олова и плавятся при 220 °C, создают прочный и пластичный шов;
• свинцово-оловянные – могут содержать от 15 до 90% олова. Температура расплавления таких элементов составляет 183-280 °C;
• оловянно-медные – на 97% состоят из высококачественного олова и на 3% из меди. Относятся к самым популярным и продаются по разумной цене. Образуют прочное соединение с хорошей устойчивостью к коррозии;
• медные с серебром – на 95% состоят из меди и на 5% из серебра. Отличаются высокими прочностными характеристиками и обеспечивают надежное сцепление между фрагментами.

Применяются мягкие легкоплавкие компоненты для объединения в единый комплекс труб диаметром от 6 до 108 мм. В стыковой области образуют аккуратный шов шириной от 7 до 50 мм.

Мягкие низкотемпературные припои актуальны для организации отопительных сетей, индивидуальных и централизованных водопроводных магистралей.

Для газовых коммуникаций такой вариант категорически не подходит

Свинец считается вредным для здоровья человека элементом.

Использование свинцовосодержащих припоев категорически запрещается в сетях, подающих воду в многоквартирные или частные дома, на предприятия или в общественные учреждения. На другие типы коммуникаций этот запрет не распространяется.

Для высокотемпературной обработки подходят твердые тугоплавкие материалы:

• медь в сочетании с серебром и цинком – содержит меди 30%, серебра — 44% и цинка — 26%. Область сцепления отличается хорошей прочностью, сохраняет пластичность, эффективно противостоит коррозии и демонстрирует повышенную теплопроводность;
• медь с фосфором – сплав из 94% меди и 6% фосфора. В процессе пайки не нуждается в применении флюса. Делает крепкое и надежное соединение, но частично теряет эластичность при низких температурах окружающей среды;
• серебро – во время пайки требует обязательного использования флюса. Создает крепкий, надежный шов с хорошей пластичностью и высокой коррозийной устойчивостью. Стоит значительно дороже аналогов из простых металлов и широкого распространения не имеет. Применяется там, где есть экономическая целесообразность и предъявляются повышенные требования к качеству трубного соединения.

При помощи тугоплавких припоев монтируют комплексы из труб диаметром от 12 до 159 мм, включая газовые коммуникационные сети, отопительные трассы и водопроводные магистрали диаметром от 28 мм.

Чтобы медь не потеряла своих прочностных характеристик в процессе пайки, не следует опускать деталь со свежим швом в воду или подвергать ее искусственному обдуву ради охлаждения.

Надежное, прочное и долговечное соединение обеспечит металл, остывший естественным путем

Использование классических медно-фосфорных или любых других элементов допускается при создании соединений внахлест.

Такой вариант сцепления обеспечивает максимальную прочность конструкции и увеличивает период работы трубопровода.

Мягкие припои для удобства пользования обычно изготовляются в форме катушек. Твердые элементы поставляются в виде проволок разной длины.

Для усиления целостности и повышения прочностных характеристик шва, нахлест должен составлять не менее 5 мм. В процессе обработки нужно оставить микроскопический зазор, чтобы припой втянулся внутрь равномерно, заполнил пустоты и образовал надежную герметичную латку

Растворение золота в припоях sn-pb

В припое ПОС61 растворяются все металлические покрытия, за исключением сплава олово-никель [2]. При температуре 250 °С скорость растворения золота в припое ПОС61 составляет около 4 мкм/с (по некоторым данным — до 1 мкм/с). При растворении золота в припое образуются интерметаллические соединения золота с оловом трех типов — AuSn, AuSn2, AuSn4 и бинарный сплав со свинцом AuPb2.

На прочность слоя припоя оказывают влияние в основном хрупкие дендриты AuPb2 и игольчатые кристаллы AuSn4. Механическая прочность паяных соединений существенно снижается при повышении температуры и очень резко — с увеличением толщины покрытия [2].

Максимальная прочность паяных соединений на сдвиг наблюдается при содержании золота в припое около 4%. При содержании золота в припое более 4% его ударная вязкость резко падает. Этот фактор нужно учитывать при перепайке позолоченных плат СВЧ и ГИС на металлические основания с использованием припоя ПОС61 (даже при толщине золотого покрытия 2-3 мкм).

Хорошая паяемость наблюдается по золотым покрытиям толщиной не более 1,3 мкм, а плохая — по толстослойным покрытиям. В то же время известно, что на прочность паяного соединения влияет не только толщина золотого покрытия, но и состав припоя и температура пайки (температура расплава припоя).

Исследования растворения золотой проволоки в жидких низкотемпературных припоях проводились в ряде работ [3, 4]. Рассматривались две принципиально различные методики оценки растворения: с помощью металлографических шлифов [3] и взвешиванием образцов [4].

По первой методике [3] золотую проволоку диаметром 1 мм, предварительно смоченную раствором канифоли, в течение 15 с погружали в расплавленный припой на глубину 20 мм, а затем с такой же скоростью извлекали из ванны. Взвешиванием определяли количество золота, перешедшего в расплав припоя.

Авторы другой методики [4] растворение золотой проволоки диаметром 0,5 мм исследовали с помощью металлографических шлифов поперечных сечений. Предварительно проволоку длиной 38 мм погружали в расплав припоя на глубину 25 мм. Шлифы сечений проволоки изготавливались после выдержки образцов в припое в течение 10-120 с, с интервалом 10 с.

Данные методики неприменимы для исследований микросоединений в полупроводниковых изделиях (ППИ), так как в этом случае используется золотая проволока диаметром 0,04 мм, а время пайки в зависимости от состава припоя составляет от 1 до 3 с.

Вопросы формирования надежных контактов с использованием золотой проволоки и низкотемпературных припоев еще полностью не решены. Если и удалось, в частности, получить прочные паяные соединения с помощью индиевых припоев, то нельзя не учитывать того, что процессы старения протекают в этих соединениях с большей скоростью, чем при использовании оловянно-свинцо-вых припоев.

Поэтому при решении применить тот или иной припой необходимо учитывать конструктивные особенности ППИ и условия их эксплуатации. Знание процессов взаимодействия золотой проволоки с различными припоями как при пайке, так и при эксплуатации ППИ в конечном итоге определяет долговечность и надежность контактных соединений.

В производстве ГИС и микросборок для монтажа золотой проволокой диаметром 0,04 мм широко применяются припои ПОС61,

ПОС61М, ПСрОСЗ-58, ПОИ50 и ПОСК50-18. При пайке золотой проволоки к контактным площадкам ГИС вышеуказанными припоями наблюдались дефекты паяных контактов как на стадии производства, так и на этапе эксплуатации. Исследования показали, что отказы на стадии монтажа связаны с растворением золотой проволоки в жидкой фазе припоя (при пайке), а на этапе эксплуатации — в твердой фазе (при воздействии повышенных температур).

Для исследования процессов растворения золотой проволоки в жидкой фазе припоя использовалась специально разработанная установка, позволяющая изменять время контактирования проволоки с жидким припоем от 0,2 до 10 с [5]. Скорость растворения золота определялась по уменьшению диаметра сердцевины проволоки, не затронутой реакцией. Растворение золотой проволоки оценивалось по шлифам поперечных сечений с точностью до 1 мкм.

В результате исследования была установлена зависимость растворения золотой проволоки при низкотемпературной пайке от температуры и времени пайки. Из рис. 1 видно, чем меньше температура расплава, тем меньше растворение золотой проволоки в припое. В связи с этим рекомендовано при монтаже ГИС золотой проволокой пайку проводить при температуре не выше 10 °С от температуры плавления припоя.

Экспериментальным путем авторами установлена зависимость растворения золотой проволоки диаметром 40 мкм от времени выдержки в твердой фазе (температура 100 °С) низкотемпературных припоев (рис. 2). Полное растворение проволоки произошло через 60 ч испытаний в припое ПОСК50-18 и через 540 ч — в припое ПОИ50.

Для уменьшения растворения золотой проволоки как в жидкой, так и в твердой фазах припоя используют способ пайки сопротивлением, позволяющий гарантировать дозированное погружение в припой золотой проволоки при пайке [6].

Свинцово-оловянные припои

Свинцово-оловянные припои разделяют на мягкие и твердые. Первые являются легкоплавкими и широко применяются в работе с радиоаппаратурой. Их температура плавления находится в интервале 300–450 градусов.

Данный тип сплава характеризуется меньшей твердостью по сравнению с тугоплавкими вариантами, однако в монтаже микросхем именно они используются наиболее часто.

Состав мягких вариантов представляет собой сочетание двух элементов: свинца и олова. Также могут добавляться и легирующие элементы. Содержание подобных примесей незначительно. Их вводят для придания соединению определенных свойств, таких как пластичность, прочность и так далее.

Почему их делают на основе олова? Дело в том, что станум – лучший материал для пайки. Он обладает рядом преимуществ. К ним относится высокая проводимость и отличное смачивание. Тем не менее есть и недостатки, например, оно подвержено явлению оловянной чумы, формированию интерметаллических поверхностей и т.д.

Избежать появления подобных проблем можно путем добавления плюмбума, меди, серебра, золота. Если в составе первый элемент отсутствует, то сплав называют бессвинцовым. Он отличается большей безопасностью для мастера. На практике чаще всего используются припои, содержащие свинец и обозначающиеся буквами «ПОС».

Свойства

Как уже было отмечено ранее существует деление припоев на две категории в зависимости от температуры плавления. Мягкие или легкоплавкие – это сплавы плавящиеся при менее 450 °С. Стоит отметить, что они не обязательно изготавливаются из олова. Тут может использоваться галлий, висмут, кадмий, индий.

Тем не менее зачастую используется не один, а смесь нескольких элементов. Это нужно, чтобы придать сплаву необходимые характеристики и параметры. Наиболее распространёнными являются ПОСы.

Важно знать: отличить одну марку сплава от другого можно и без знания его точного состава, благодаря тому, что от содержания определенных элементов может меняться цвет проволоки, блеск, пластичность, твердость и т.д.

Таким образом, взяв в руки проволоку, попробовав погнуть ее и оценив вес, можно с определённой точность определить содержание в ней станума или плюмбума.

В зависимости от концентрации олова выделяют несколько десятков сплавов, производящихся в соответствии с государственным стандартом – ГОСТом.

Когда речь заходит про свойства, то они в основном определяются содержанием олова. Оно имеет две полиморфные модификации. Белое – с тетрагональной кристаллической решеткой, серое – с кубической. Переход от одной модификации к другой сопровождается выделением тепла, то есть реакция является экзотермической.

Данное превращение приводит также и к увеличению объема, сопровождающегося разрушением с образованием серого порошка. Такой процесс называется «оловянной чумой».

Скорость превращения белой модификации в серую – мала. Данный процесс ограничивает применение чистого станума в пайке. В связи с этим добавляются различные химические элементы, препятствующие указанному переходу.

Известно также об увеличении и таких характеристик олова, как прочность и твердость, с помощью добавления никеля, меди, магния, цинка. А вот наличие висмута и цинка повысит смачиваемость и понизит температуру плавления.

ПОСы не поддаются упрочнению посредством наклепа. В отличии от чистого станума, сплавы со свинцом после деформирования обладают меньшей твердостью и прочностью, чем литые.

В результате, комбинируя различные варианты концентрации примесей, можно добиться желанных параметров сплава, которые наилучшим образом подойдут в каждой конкретной задаче.

Серебряное покрытие

Для создания покрытий с высокой электропроводностью и стабильной величиной переходного сопротивления в местах контактов используется серебрение. Например, в производстве силовых полупроводниковых приборов серебро используется в качестве металлизации кристалла под пайку. В этом случае осуществляется напыление пленки серебра на пластину с кристаллами.

Серебряное покрытие формируется напылением в вакууме с применением методов магнетронного распыления серебряной мишени или термическим испарением серебра из тигля электронным лучом. Более предпочтительным является метод магнетронного распыления, который обеспечивает высокие адгезионные свойства напыляемой пленки.

Для формирования металлизации методом магнетронного распыления используются промышленные вакуумные установки непрерывного действия. Процесс напыления проводится при рабочем давлении газа (аргона) 0,5-1,0 Па при мощности магнетрона до 4 кВт. Для улучшения адгезионных свойств напыляемой пленки поверхность пластин подвергается бомбардировке ионами Аг . Ионная очистка осуществляется в том же рабочем объеме (камере), что и процесс напыления.

Нанесение серебряного покрытия на корпуса проводят гальваническим способом только на участки под пайку кристаллов и разварку внутренних выводов. Серебряные покрытия, полученные из обычных электролитов, характеризуются малой твердостью и незначительной износостойкостью.

Корпуса для силовых полупроводниковых приборов изготавливают в основном из холоднокатаной листовой меди. На поверхности таких листов присутствует наклепанный слой. Авторами данной работы проводились исследования серебряных покрытий, которые наносились на медные корпуса без полирования и с предварительным электрохимическим полированием поверхности.

Анализировались серебро гальваническое и серебро с подслоем никеля. Установлено, что серебряные покрытия на полированной медной основе имеют мелкозернистую структуру, характеризуются более низкой микротвердостью. Эти свойства необходимо учитывать при пайке кристаллов и присоединении внутренних выводов к корпусам с серебряным покрытием.

На медные корпуса серебряное покрытие толщиной 5-6 мкм наносят на подслой химического никеля. Для получения блестящих серебряных покрытий в широком диапазоне плотностей тока при высокой скорости осаждения металла разработан технологический процесс, состоящий из следующих операций [24]: проводят электрохимическое обезжиривание на катоде в электролите (г/л): NaOH (10-59)

, Na2C03 (20-30), Na3P04 (30-50), Na2Si03 (3-5), ΟΠ-10 (2-3) при Т — 80-90 °С, Dk — 2-10 А/дм2, U — 5-12 В, τ — 10-15 мин; затем промывают в горячей и холодной проточной воде и проводят процесс химического травления в растворе:

Химическое декапирование проводят в растворе: НС1 (50-100 мл/л), Н20 (900-950 мл) при Т — 20-25 °С, τ = 0,5 мин, промывают в холодной воде. Электролитическое серебрение проводят в электролите (г/л): Ag2N03 (10-45), K2Fe(CH)

6x3H20 (50-150), K2C03 (15-30) при Т — 20-25 °С. Параметры импульсного тока: амплитудная плотность 5-8 А/дм2, частота 0,5-40 Гц, скважность 4-20. Параметры ультразвуковой обработки: интенсивность в импульсе 0,1-0,5 Вт/см, частота 15-80 кГц, частота посылок импульсов 0,5-40 Гц, затем идет процесс промывки деталей.

Снижение качества операций пайки кристаллов и присоединения внутренних выводов к серебряному покрытию происходит из-за наличия сульфидной пленки Ag2S на поверхности. Для очистки серебряных покрытий применяют различные методы: механические, химические и электрохимические. Однако данные способы не предотвращают процесса повторного образования Ag2S.

Подготовка к сборочным операциям корпусов ППИ с серебряным покрытием, а также пайка кристаллов и присоединение внутренних выводов к данным покрытиям рассмотрены в отдельных работах [25, 26].

Содержащие сурьму

Для уменьшения степени окисления сплава в жидком состоянии и придания пайке лучшего вида, в состав его вводят сурьму. Согласно ГОСТ 21930-76 все оловянно-свинцовые припои для пайки в зависимости от химического состава классифицируются на:

• безсурьмянистые;
• малосурьмянистые, с содержанием сурьмы до 0,5 %;
• сурьмянистые, содержащие более 0,5% сурьмы.

Этот же ГОСТ определяет и области преимущественного использования каждой марки.

Таблица 1. Химический состав припоев

Химический состав, %
Марка припоя
Код ОКП
Основные компоненты

Олово
Сурьма
Кадмий
Медь
Свинец

Бессурьмянистые
Малосурьмянистые
Сурьмянистые

ПОС 90	17 2311 1100 04	89-91	—	—	—	Остальное то же
ПОС 63	17 2312 0100	62,5-63,5	—	—	—	«
ПОС 61	17 2312 1100 10	59-61	—	—	—	«
ПОС 40	17 2314 1100 00	39-41	—	—	—	«
ПОС30	17 2321 1100 09	29-31	—	—	—	«
ПОС 10	17 2326 1100 06	9-10	—	—	—	«
ПОС 61М	17 2312 1200 07	59-61	—	—	1,2-2,0	«
ПОСК 50-18	17 2313 1200 02	49-51	—	17-19	—	«
ПОСК 2-18	17 2343 1100 09	1,8-2,3	—	17,5-18,5	—	«
ПОССу 61-0,5	17 2312 1400 01	59-61	—	—	—	Остальное то же
ПОССу 50-0,5	17 2313 1100 05	49-51	—	—	—	«
ПОССу 40-0,5	17 2314 1200 08	39-41	—	—	—	«
ПОССу 35-0,5	17 2315 1200 03	34-36	0,05-0,5	—	—	«
ПОССу 30-0,5	17 2321 1200 06	29-31	—	—	—	«
ПОССу 25-0,5	17 2322 1200 01	24-26	—	—	—	«
ПОССу 18-0,5	17 2323 1100 10	17-18	—	—	—	«
ПОСу 95-5	17 2311 1200 01	Ост.	4,0-5,0	—	—	—
ПОССу 40-2	17 2314 1300 05	39-41	1,5-2,0	—	—	Остально то же
ПОССу 35-2	17 2315 1300 00	34-36	1,5-2,0	—	—	«
ОССу 30-2	17 2321 1300 03	29-31	1,5-2,0	—	—	«
ПОССу 25-2	17 2322 1300 09	24-26	1,5-2,0	—	—	«
ПОССу 18-2	17 2323 1200 07	17-18	1,5-2,0	—	—	«
ПОССу 15-2	17 2324 1100 05	14-15	1,5-2,0	—	—	«
ПОССу 10-2	17 2326 1200 03	9-10	1,5-2,0	—	—	«
ПОССу 8-3	17 2326 1300 00	7-8	2,0-3,0	—	—	«
ПОССу 5-1	17 2327 1100 01	4-5	0,5-0,1	—	—	«
ПОССу 4-6	17 2327 1200 09	3-4	5,0-6,0	—	—	«
ПОССу 4-4	17 2327 1300 06	3-4	3,0-4,0	—	—	«

Сплав никель-олово

Гальванические покрытия паяемых поверхностей кристалла и основания корпуса при сборке должны обладать не только хорошей смачиваемостью, но и высокой коррозионной стойкостью. Этим требованиям в полной мере отвечают сплавы никеля с оловом (Ni-Sn).

При осаждении сплава Ni-Sn необходимо строго соблюдать условия электроосаждения: температуру электролиза, соотношение концентраций компонентов электролита, плотность тока.

Для осаждения сплава Ni-Sn существует несколько типов электролитов. Наиболее широкое применение в промышленности получили фторидхлоридные электролиты, как наиболее стабильные в работе и позволяющие получать покрытия с относительно высокими защитно-декоративными свойствами.

Для нанесения сплавов Ni-Sn рекомендуется использовать электролит следующего состава (г/л): хлористый никель (250-300), хлористое олово (40-50), фтористый аммоний (40-80), хлористый аммоний (60-100), 2-, 4-, 6-три-(морфолинометил)-фенол (0,05-0,2) [21].

С целью снижения внутренних напряжений и повышения защитно-декоративных свойств покрытий Ni-Sn [22] в электролит добавляются полиэтиленполиамин и N аце-тонитрилморфолина гидрохлорид при следующем соотношении компонентов (г/л): хлористый никель (200-300), хлористое олово (40-50), фтористый аммоний (30-60), фтористый натрий (20-30), полиэтиленпо-лиамид (2-30 мл/л), Ν-ацетонитрилморфо-лина гидрохлорид (0,03-0,15).

Исследования микроструктуры и химического состава поверхности покрытий из сплава 35% Ni / 65% Sn, полученных из электролитов с добавкой ОС-20, показали следующие результаты: при температуре 50 °С получаются крупнокристаллические покрытия, в которых массовая доля олова составляет 99,8%.

Объясняется это тем, что при температуре пайки электролитический сплав Ni-Sn переходит в интерметаллические соединения Ni3Sn2 и Ni3Sn4, что способствует обогащению поверхностного слоя никелем. Кроме того, повышенное содержание никеля в поверхностном слое данного покрытия, очевидно, обусловлено различной сублимацией компонентов сплава, которая в большей степени присуща Sn [23].

Флюс – особенности и назначение

Флюс – это специфический технический материал для пайки медных труб. Оберегает поверхность деталей от окисления и шлаков. Препятствует контакту спаянного шва с кислородом. Повышает общее качество соединения и придает ему хорошую прочность и оптимальную пластичность.

В помещении, где производится запаивание медных труб, нужно организовать качественную вентиляцию. Горючие и легковоспламеняющиеся вещества лучше заранее убрать, чтоб случайная искра не спровоцировала пожар или любой другой опасный для здоровья человека случай

Флюсы для пайки медных труб выпускаются в разных консистенциях.

Среди самых востребованных и популярных:

Вещество в форме пасты для пайки медных труб стоит дороже остальных материалов, но полностью оправдывает свою высокую цену. Подходит для использования сразу после покупки и не требует от мастера что-то добавлять в состав для улучшения рабочих качеств.

Паста приобретается для проведения ответственной пайки, требующей максимально четкой и качественной герметизации стыковых областей. Вещество легко ложится на медную поверхность, отлично прилипает к ней и хорошо распределяется по зоне обработки во время нагревания.

Паста-флюс очень проста и удобна в использовании. Работать с ней без всяких трудностей сможет не только профильный специалист с большим практическим опытом, но и любой домашний мастер

Готовый шов аккуратно смотрится и обеспечивает целостность сцепления всех фрагментов системы. Остатки вещества легко удаляются по окончании работы.

Порошковые средства продаются за меньшую цену и хорошо хранятся в специальных емкостях. Максимальную эффективность демонстрируют совместно с усиленными, тугоплавкими припоями. Считаются менее удобными из-за проблематичности равномерного нанесения на область обработки.

Жидкие вещества продаются в закрытых бутылях. Нормально контактируют с мягкими припоями и легко ложатся на медную поверхность, обеспечивая высокую прочность сцепляющего шва. Для обеспечения качественного соединения жидкий флюс и припой всегда используют одновременно, а не по отдельности.

Независимо от консистенции, флюс нужно наносить сразу после зачистки медного фрагмента. Если этот момент проигнорировать, металлическая поверхность опять покроется окислами и равномерно обработать ее не получится.

После обработки флюсом спаивать детали следует немедленно. Это исключит шанс проникновения посторонних частиц на рабочую поверхность.

Для нанесения пастообразного флюса требуется специальная кисть с упругим ворсом средней длины. Использовать слишком много вещества не нужно. На качество и прочность соединения это никак не повлияет

В процессе соединения деталей нужно проявлять внимание и осторожность. Попадание флюса на кожу провоцирует не только термический, но и химический ожог.

Если это все-таки случилось, нужно немедленно прекратить пайку и смыть вещество с кожи большим количеством мыльной воды.

Заключение

Применение бессвинцовых припоев и покрытий естественно приведет к изменению технологии пайки и в целом сборочных процессов. Потребуется корректировка режимов пайки и, как следствие, доработка технологического оборудования. Необходимо проведение комплексных испытаний бессвинцовистых паяных соединений на прочность, тепловое сопротивление, коррозионную стойкость, совместимость с материалами и покрытиями обратной стороны кристаллов и оснований корпусов ППИ.

При решении вопроса о надежности паяных соединений, наряду с выбором оптимальных способов и режимов пайки, необходимо учитывать состав и свойства паяемых покрытий. Анализ покрытий паяемых поверхностей кристаллов и оснований корпусов показал, что для пайки бессвинцовыми припоями в первую очередь целесообразно провести исследования следующих покрытий: цинковое, никелевое, никель-олово, серебряное, оловянное, цинк-олово и олово-висмут.

Разработан способ пайки полупроводниковых кристаллов силовых полупроводниковых приборов с использованием бессвинцовых припоев. Сущность способа пайки заключается в том, что на алюминий на паяемой стороне кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают исходя из заданной толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк-олово.