Паяемость бессвинцовых припоев

Технологии в электронной промышленности №6’2006

Свойства смачиваемости мягких припоев и паяльных паст являются существенным критерием для их использования. Институтом надежности и микроинтеграции (Fraunhofer IZM) совместно с Институтом кремниевых технологий (Fraunhofer ISiT) были проведены исследования площади растекаемости припоя и временных зависимостей силы смачивания некоторых бессвинцовых припоев.

Данные исследования проводились в рамках проекта «Обрабатываемость и надежность бессвинцовых припоев для пайки оплавлением и пайки волной припоя» (DVS/AiF-№ 48ZN/7.0 IP). В качестве сравнения был использован стандартный припой SnPb36Ag2. Испытываемые образцы представляли собой печатные платы с различными финишными покрытиями.

https://www.youtube.com/watch?v=upload

Последующие испытания были проведены в университете Ростока. В результате данных исследований было установлено, что выбор правильной температуры пайки по отношению к температуре
плавления припоя приводит к похожим результатам смачивания. В качестве отправной точки предлагается 10%-ное превышение температуры пайки над температурой плавления.

Измерение площади растекания

1.1. Отбор образцов

1.1.1. Для испытаний следует применять пластины размером 40×40 мм или диски диаметром 40 мм из паяемого материала.

1.1.2. Толщина пластин или дисков должна быть 0,5-3,0 мм. При толщине более 3 мм допускается механическая обработка со стороны, не подвергаемой испытанию.

1.1.3. Для испытаний использовать заготовки припоя в форме цилиндра или куба, имеющие дозированный объем 64 мм. Масса припоев в зависимости от их плотности приведена в справочном приложении 1.

1.1.4. При использовании припоев, содержащих Ag, Au, Pt, Pd и другие драгоценные или редкие металлы, размеры образцов для испытаний должны быть 20×20 мм или диаметром 20 мм, а дозированный объем припоя 16 мм.

1.1.5. Число образцов для испытаний должно быть не менее трех для каждого сочетания материалов, припоя и флюса, режима пайки.

1.2. Аппаратура и приборы

1.2.1. Испытания рекомендуется проводить на установке, принципиальная схема которой показана на черт.1.

Схема установки для проведения испытаний

1 — капля припоя; 2 — образец из паяемого материала; 3 — подложка для установки образца; 4 — термопара; 5 — нагревательное устройство; 6 — камера (при испытаниях в среде или вакууме); 7 — источник света; 8 — макрофотонасадка (увеличитель); 9 — экран; 10 — объективы

Черт.1

Установка должна обеспечивать:горизонтальность испытуемого образца;возможность создания необходимой среды или вакуума в период испытаний;юстировку и фокусировку четкого изображения капли припоя на экране;равномерный нагрев образца до заданной температуры;отсутствие вибрации.Перечень рекомендуемой аппаратуры и приборов приведен в справочном приложении 2.

1.2.2. Измерение температуры в процессе испытаний производить термопарами по ГОСТ 6616-74 и приборами по ГОСТ 9245-79 класса точности не ниже 0,05.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsru

1.2.3. Для определения краевого угла смачивания следует применять фото- и киноаппаратуру. Скорость киносъемки 16-1500 кадров в секунду в зависимости от скорости растекания припоя.

1.2.4. Измерение краевого угла смачивания на фотоснимке или кинопленке следует производить на инструментальных микроскопах.

1.3. Подготовка к испытаниям

1.3.1. Поверхность образцов и припоя следует подготавливать в соответствии с технологическим процессом изготовления паяной конструкции. При отсутствии данных способ подготовки поверхности установить опытным путем. Допускается испытывать материалы в состоянии поставки, удалив жировые загрязнения и влагу.

1.3.2. Припой следует размещать в центре горизонтально расположенной пластины. Горизонтальность площадки для установления пластин проверять с помощью уровня.

1.3.3. Рабочий конец термопары следует крепить в центре нерабочей поверхности образца методами, обеспечивающими надежный тепловой контакт согласно черт.2.

Черт.2

1.3.4. Образцы маркировать номером партии или условным индексом на нерабочей части любым способом, обеспечивающим сохранение маркировки после испытаний.

1.4. Проведение испытаний

1.4.1. Образцы следует нагревать в газовой среде, в вакууме или с флюсом в соответствии с предусмотренным технологическим процессом. При отсутствии данных среду следует выбирать в зависимости от марки материала и припоя.

1.4.2. При проведении испытаний с флюсом его объем должен быть не более 400 мм для образцов 40×40 мм и не более 100 мм для образцов 20х20 мм. Флюс следует наносить согласно принятой технологии.

1.4.3. Краевой угол смачивания следует фиксировать в процессе испытаний в соответствии с п.1.2.3. Допускается непосредственное измерение угла на экране.

1.4.4. Краевой угол смачивания фиксируют при достижении припоем следующих значений температуры:начала плавления (3-5 °С выше солидуса);полного плавления (3-5 °С выше ликвидуса);температуры пайки.Фиксация других точек производится в зависимости от поставленной задачи.

1.4.5. При отсутствии соответствующего оборудования допускается измерение краевого угла смачивания после охлаждения образца.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpressru

1.5. Обработка и подсчет результатов

1.5.1. Измерение краевого угла смачивания надлежит производить в следующем порядке:на снимке или проекции капли провести касательную в точке пересечения контура капли с поверхностью образца, как показано на черт.3;измерить угол наклона касательной согласно п.1.2.4.

Черт.3

1.5.2. Для каждой проекции капли измеряют краевой угол с левой и правой сторон. Погрешность измерения не должна превышать 5 градусов.

1.5.3. Вычисление краевого угла смачивания для данной капли следует проводить по формуле

где , — измеренные значения краевого угла смачивания с левой и правой сторон соответственно.

1.5.4. Краевой угол смачивания для данного сочетания «припой — паяемый материал» следует определять по формуле

где , , …, — значения краевого угла смачивания для каждой капли; — число образцов.

1.5.5. При использовании для измерения транспортира или трафарета изображение системы «капля-пластина», полученное на фото- или кинопленке, следует дополнительно увеличить не менее чем в пять раз, проектируя изображение на экран.

1.5.6. Для уменьшения погрешности от несовершенства формы капли на охлажденном образце краевой угол смачивания следует определять следующим образом:замерить не менее чем на трех проекциях одной капли значения и и найти их средние значения;вычислить краевой угол смачивания для данной капли как среднее значение между и по формуле (1), где и — средние значения краевого угла смачивания левой и правой сторон капли;определить краевой угол смачивания для данного сочетания «материал-припой» по формуле (2).

1.5.7. Площадь растекания припоя следует подсчитывать после охлаждения образца как среднее арифметическое из трех полученных результатов испытаний. Измерение площади растекания следует производить с помощью инструментов или приборов, обеспечивающих погрешность измерения до — 5,0% от измеряемой площади.

1.5.8. Критериями смачивания материала припоем следует считать:значение краевого угла смачивания , определенного при температуре испытания или в охлажденном состоянии (следует учитывать, что погрешность при определении краевого угла на охлажденном образце может составлять 10-15%);площадь растекания припоя на поверхности образца.

1.5.9. Испытания считают недействительными при нарушении состава среды при испытаниях, выходе из строя термопары при нагреве, негоризонтальности смачиваемой поверхности.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafetyru

1.5.10. Результаты испытаний каждого образца необходимо заносить в протокол испытаний, форма которого приведена в обязательном приложении 3.

Для метода измерения растекаемости обычно используется паяльная паста. Так как в данном случае необходима сравнительная оценка самих припоев, то такие факторы, как размер частиц металлического порошка и его распределение, а также флюс, должны быть исключены. С этой целью из паяльной пасты были изготовлены шарики припоя (вес одного шарика 200 мг).

Для всех припоев использовался флюс Actiec 2 компании Multicore. Все пробы были расплавлены в паровой фазе с временем пиковой температуры 120 с. Измеренная площадь
растекания припоя четырех шариков (среднее значение) является показателем качества смачивания. В таблице представлены параметры теста на растекаемость различных припоев на различных поверхностях.

В отличие от бессвинцовых припоев с более высокой температурой плавления, которые были расплавлены при температуре 240 °С, эвтектический припой SnBi испытывался при

Рис. 2. Типичные кривые смачивания при температурах 245,255 и 265 °С

Рис. 3. Снимки печатных плат с металлизацией NiP/Au (ENIG) после теста на растекаемость

Рис. 4. Измеренные площади растекания припоев на различных финишных покрытиях

Таблица. Параметры исследований

температуре 155 °С, а припой SnPbAg2, который использовался для сравнения, дополнительно при 203 °С. Следовательно, все припои были исследованы при температуре, которая превышала их температуру плавления примерно на 20°, что естественно улучшает возможность сравнения отдельных припоев. По вышеописанному методу были получены площади растекания припоев на различных поверхностях печатных плат.

На рис. 4 в виде диаграммы представлены оптически измеренные площади растекания пяти припоев на четырех финишных покрытиях. Для начала можно заметить, что наилучшие результаты были достигнуты на поверхностях NiP/Au и Immersion Sn (chem Sn). Поверхность Cu/OSP хорошо смачивается только припоем SnPbAg независимо от температуры.

Это объясняется тем, что состав OSP изначально оптимизирован для температуры плавления свинец-содержащего припоя [2]. Интересен факт ухудшения смачивания поверхности Immersion Sn припоем
SnPbAg при более высокой температуре. Причиной этого является образование интерметаллических фаз SnCu, вследствие расплавления покрытия из олова толщиной около 1 μηι при температуре 240 °С.

Для более точных высказываний о временных зависимостях процесса смачивания необходимо измерение силы смачивания специальным прибором. В данном исследовании использовался прибор для измерения силы смачивания модели MUST II, выпускаемый компанией Multicore. Для испытаний был выбран метод с шариком припоя.

Этот метод позволяет проводить испытания на образцах печатных плат, которые фиксируются в приборе в виде полосок. В данном эксперименте образцы печатных плат опускались в шарик припоя под углом 45°, так
как при этом геометрические допуски образцов и прибора меньше влияют на измерения. В этом тесте на паяемость использовались шарики припоя весом 200 мг, изготовленные оплавлением паяльной пасты в специально сконструированной графитовой форме. Оплавление происходило в конденсационной печи при 240 °С. Остатки флюса удалялись ультразвуковой очисткой в ванне с изопропанолом.

Введение

Обеспечение паяемости является важным условием обеспечения надежности электронных систем и процессов их изготовления. Применяемые на практике исследования паяемости описаны в стандарте DIN 32 506. Наиболее простое исследование паяемости представляет собой визуальную оценку смачиваемости припоем после погружения в ванну с расплавленным припоем или после оплавления паяльной пасты.

Методом погружения в ванну с расплавленным припоем с применением подходящего флюса могут быть достигнуты хорошие результаты для волновой пайки. Для пайки оплавлением используется оценка растекаемости отпечатков паяльной пасты на смачиваемой поверхности при оплавлении. Преимущество второго метода заключается в возможности его проведения без специального технического оборудования.

Так как этот тест проводится на производственном оборудовании, с такими же температурными режимами и такими же паяльными пастами,
он идеально соответствует условиям производства. Большие свободные смачиваемые поверхности на печатных платах могут также быть использованы для этого теста. Недостатком метода является субъективность оценки результатов.

Этот минус может быть устранен точным измерением площадей смачивания, например с помощью микроскопа с соответствующим программным обеспечением. Полученные таким образом результаты все равно не являются полноценными, так как не содержат информации о динамике и временных изменениях процесса смачивания.

Рис. 1. Структурная схема измерительного прибора на основе принципа контроля паяемости

Наиболее точным методом контроля паяемости является измерение силы смачивания [1] (например, по стандарту DIN 32 506 Т-4). При помощи специального прибора для измерения силы смачивания погружением пробы в расплавленный припой (ванна с припоем или шарик припоя) записываются изменения взаимодействия сил.

https://www.youtube.com/watch?v=channelUCpt4EHBhBdVVWNrmfLK_gJA

Полученная временная зависимость сил взаимодействия, градиент и амплитуда позволяют оценить качество смачивания. Измеренная величина силы складывается из таких компонентов, как вес, противодавление, сила смачивания,
сила поверхностного натяжения и сила сцепления. Это делает невозможным точное соотношение наблюдаемых эффектов с отдельными измерениями и зачастую усложняет интерпретацию полученных данных. На рис. 1 представлена схема подобного измерительного прибора.

Кроме немецкой нормы для испытания паяемости DIN 32 506 существует еще целый ряд международных правил и норм, таких как, например, IPC-TR-466, MIL-STD-833C или J-STD-002/3. Во всех этих нормах присутствует описание контроля паяемости только для волновой пайки и пайки погружением в расплавленный припой.

Испытание паяемости может быть также проведено после старения образцов при различных условиях с целью оценки надежности компонентов и долговечности металлизации их контактов. В любом случае необходимо сравнение с подходящим образцом, поскольку испытание паяемости не дает абсолютной оценки надежности технологического процесса пайки. На рис.

Испытание паяемости выше описанным методом получило особое значение с введением бессвинцовых припоев. С помощью этого метода можно систематически оптимизировать технологические параметры процесса пайки, как время и температуру пайки за короткий срок. Взаимодействие между такими материалами, как бессвинцовый припой, металлизация контактных площадок, металлизация компонентов и флюс, может быть также изучено этим методом, а результаты использованы для выбора оптимальной комбинации материалов.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМАЧИВАНИЯ ПО НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ И ВРЕМЕНИ РАСТЕКАНИЯ

2.1. Отбор образцов

2.1.1. Для испытаний следует применять:пластины из паяемого материала толщиной от 0,1 до 1,0 мм, шириной до 25 мм и длиной 30 мм. Предпочтительный размер 30х10х0,1;проволоку диаметром от 0,3 мм. Предпочтительный диаметр 1,0 мм.

2.1.2. Зеркало ванны с припоем должно быть диаметром не менее 30 мм, а масса припоя в ванне должна обеспечивать сохранение постоянной температуры при погружении образца с отклонением не более 1°.

2.1.3. При отборе образцов следует соблюдать требования п.1.1.5 настоящего стандарта.

2.2. Аппаратура и приборы

2.2.1. Испытания следует проводить на приборе, принципиальная схема которого приведена на черт.4. Перечень рекомендуемой аппаратуры указан в справочном приложении 2.

Принципиальная схема установки для определения начальной скорости и времени смачивания

1 — ванночка с припоем; 2 — образец; 3 — держатель; 4 — пружинный подвес; 5 — стержень;6 — датчик, преобразующий перемещение в усилие; 7 — тензометрический усилитель; 8 — осциллограф

Черт.4

2.3. Подготовка к испытаниям

2.3.1. Перед испытанием следует провести тарировку прибора для определения усилия втягивания образца в расплав, используя разновесы массой от 10 до 200 мг.

2.3.2. Образец, поверхность которого подготовлена в соответствии с п.1.3.1, следует закрепить в держатель, подвешенный к пружинному подвесу.

2.3.3. Компенсировать массу образца с помощью электрической схемы прибора.

2.3.4. Проверить соответствие температуры припоя в ванне температуре испытаний.

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

2.4. Проведение испытаний

2.4.1. Опустить образец в припой на глубину 1-3 мм (предпочтительная глубина погружения — 2 мм). При погружении образца в расплав необходимо соблюдать перпендикулярность его боковой поверхности плоскости зеркала ванны.

2.4.2. Силы взаимодействия, возникающие при погружении образца, следует фиксировать на ленте самопишущего прибора.

2.4.3. Типичная форма записанной кривой показана на черт.5.

— время начала смачивания; — чистое время смачивания; — время полного смачивания; — сила смачивания (равновесная); — сила отрыва припоя от образца при его подъеме;

1 этап — процесс получения отрицательного мениска — радиус кривизны направлен из расплава (потеря веса образцом вследствие капиллярного давления и гидростатического выталкивания замещенной образцом части припоя); 2 этап — процесс перемещения припоя по боковым поверхностям образца (радиус мениска меняет направление в сторону жидкости);

Черт.5

2.5. Обработка и подсчет результатов

2.5.1. Начальную скорость смачивания определяют измерением угла и подсчетом его тангенса между касательной к кривой в точке и перпендикуляром к оси ординаты (черт.5).

2.5.2. Определение времени смачивания следует производить по кривой на ленте самопишущего прибора в соответствии с черт.5.

2.5.3. Расчет других характеристик смачивания, полученных при испытаниях, приведен в справочном приложении 4.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (справочное). Перечень рекомендуемой аппаратуры и приборов для проведения испытаний по определению смачивания материалов припоями

ПРИЛОЖЕНИЕ 1Справочное

ПРИЛОЖЕНИЕ 2Справочное

ПРИЛОЖЕНИЕ 3Обязательное

_______________* Нумерация соответствует оригиналу. — Примечание изготовителя базы данных.

Таблица 1

Таблица 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 4Справочное

При испытаниях, проводимых в соответствии с разд.1 и 2 настоящего стандарта расчетным путем, можно получить следующие дополнительные характеристики процесса смачивания.Значение краевого угла смачивания по параметрам капли припоя на образце (масса припоя до 0,2 г) по формуле

где — высота капли припоя; — объем капли.Значение адгезионного натяжения по формуле

где — адгезионное натяжение; — поверхностное натяжение припоя, Н/м; — сила смачивания (см. черт.5 настоящего стандарта), Н; — периметр смачивания (удвоенная сумма ширины и толщины образца), м.По известной величине адгезионного натяжения можно получить: значение высоты подъема припоя в капиллярном зазоре данной ширины по формуле

где — плотность припоя (допускается использование значения плотности при комнатной температуре); — ускорение силы тяжести; — ширина капиллярного зазора.Значение краевого угла смачивания по формуле

где — сила смачивания (см. черт.5 настоящего стандарта); — сила отрыва припоя от образца при его подъеме (см. черт.5 настоящего стандарта); — поправка на гидравлическую выталкивающую силу, равную весу припоя, вытесненного образцом.Значение силы рассчитывают по формуле

где — плотность припоя, кг/м; — глубина погружения образца, м; — площадь сечения образца, м; — ускорение силы тяжести, м/с.

Электронный текст документаподготовлен ЗАО «Кодекс» и сверен по:официальное изданиеМ.: Издательство стандартов, 1982

Заключение

Важным заключением из проведенного исследования бессвинцовых припоев является тот факт, что выбор правильной температуры пайки по отношению к температуре плавления припоя приводит к сравнимым результатам для исследованных припоев. В качестве отправной точки рекомендуется 10%-ный перегрев выше точки плавления припоя.

Конкретные значения для исследованных припоев: 179 °С для SnBi; 224 °С для SnPbAg; 266 °С для SnAgCu; 270 °С для SnAg и 277 °С для SnCu. Эти температуры пайки представляют собой
оптимальный вариант для смачивания припоем при учете лишь металлургических особенностей процесса пайки. Практически эти температуры могут быть в лучшем случае применены только при волновой или селективной пайке.

Температура при пайке оплавлением ограничивается в первую очередь максимально допустимой температурой отдельных компонентов и материала печатной платы. Так, лишь в некоторых случаях допустима максимальная температура 260 °С, чаще 250 °С или даже 240 °С. Учитывая температурные особенности процесса
пайки необходима компенсация за счет увеличения времени пайки.

В противном случае возможны проблемы со смачиванием, а также появление пор и включений флюса в паяных соединениях. В будущем ожидается появление на рынке компонентов с расширенным допустимым диапазоном температур для технологии бессвинцовой пайки. Пока это не произошло, необходимо искать компромисс между оптимальным смачиванием и минимальной нагрузкой компонентов и материала печатной платы при установлении температурных режимов пайки.

Для увеличения технологического окна для оплавления рекомендуется применение бессвинцового припоя с наиболее низкой температурой плавления. Для припоя SnAgCu с температурой плавления 217 °С при температуре пайки 240 °С достигается лишь 5%-ный перегрев выше точки плавления, при температуре пайки 250 °С это уже 7%.

https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin

Выбор флюса имеет особое значение при оптимировании технологического окна при описанных условиях. Так как использование бессвинцовых припоев происходит в термически неблагоприятных условиях,
применяемые флюсы должны эффективно работать в узкой температурной области, ограниченной температурой плавления и максимальной температурой пайки.

Между тем, многие компании и институты уже провели исследования бессвинцовых припоев. Первый практический опыт подтверждает многие высказывания, как, например, появление пор при бессвинцовых процессах пайки. Положительным моментом является то, что многие производители припоев и флюсов активно работают над улучшением флюсов и паяльных паст, что уже сегодня проявляется при применении этих материалов.

https://www.youtube.com/watch?v=ytdevru

Немецкий Центральный союз электротехнической промышленности (ZVEI) наиболее полно представил параметры технологических
процессов для бессвинцовой пайки и сравнил их с параметрами пайки свинецсодержащими припоями в руководстве по состоянию технологического оборудования для бессвинцовых припоев, которое базируется на сведениях, полученных от производителей технологического оборудования [3].