Бессвинцовая пайка что это
SamsPcbGuide, часть 10: Технологии — пайка бессвинцовых компонентов
Данная статья – первая статья о технологиях сборки печатных плат. Последний семинар от PCB SOFT был посвящён проектированию, обеспечивающему технологичность изготовления печатной платы (англ. DFM, design for manufacture). Был поднят вопрос о целесообразности реболлинга бессвинцовых BGA-компонентов для высоконадёжных применений. И организаторы семинара, и участники уверенно говорили о том, что эту трудоёмкую операцию никто не выполняет и с проблемами никогда не сталкивался. В данной статье я критически рассмотрю этот вопрос и постараюсь показать опасность таких «общепринятых в отрасли» мнений и о пользе метода универсального сомнения старины Рене Декарта.
В 2006 году была принята директива RoHS, ограничивающая применение свинца и других признанных вредными элементов в потребительской и промышленной электронике. Это привело к тому, что большинство производителей электронных компонентов перешло на бессвинцовые корпуса, а заказ компонентов в исполнении со свинцовосодержащими выводами не всегда доступен. При этом технология пайки с применением припоев с высоким содержанием свинца никуда не делась (в ГОСТ Р 56427-2015 она, к слову, названа традиционной). Выбор припоя и/или паяльной пасты остаётся за разработчиком печатной платы, поэтому, если выбор сделан в пользу свинцовосодержащего припоя, возникает проблема пайки бессвинцовых компонентов (англ. mixed-alloy process), особенно в корпусах BGA-типа (соразмерность долей припоев). Основной вопрос заключается во влиянии смешения припоев на надёжность соединения. Вышеуказанный ГОСТ даёт однозначный ответ:
Для РЭС класса С по ГОСТ Р МЭК 61191-1-2010 недопустим отказ, аппаратура должна функционировать в любое время включения, в том числе в жёстких условиях. Эти требования относятся не только в аппаратуре военного и космического применения, надёжными должны быть, например, и ответственные промышленные системы.
Откуда в ГОСТе возникло такое требование? Это вопрос к разработчикам стандарта, которые, скорее всего, перевели зарубежный стандарт, которому, вероятно, уже 5-10 лет, а откуда требование возникло там, вообще не разобраться. И при этом участники семинара, о котором я писал в начале, представляющие срез отечественной электроники именно ответственного применения, отрицательно качали головой головой при слове «реболлинг». Возможно, у них есть положительный опыт, я не спорю, я просто против обобщений и уверенности, базирующихся на невежстве. Кто их них (и из вас, читатели) читал стандарт? А те, кто следуют стандарту, уверены, что данная операция в техпроцессе обязательна в их конкретном случае? Сама операция не снижает надёжность? Кто проводил экспериментальное исследование надёжности используемой технологии поверхностного монтажа? Потому что всё дело в эксперименте, в правильно поставленном эксперименте. Другой источник информации – анализ доступных данных от сторонних исследователей. Ниже я приведу обобщение нескольких статей на тему надёжности пайки бессвинцовых компонентов.
Температура плавления (ликвидус, TL) бессвинцовых припоев на 30-40 o C выше, чем свинцовосодержащих, поэтому, в зависимости от термопрофиля пайки и распределения теплового поля на печатной плате, можно получить различную степень смешивания в паяном соединении (рис. 1). Наличие зон концентрации и неоднородностей как самих металлов, так и интерметаллидов в припойном соединении (рис. 2) снижает его долговременную надёжность, так как такие макроструктуры являются наиболее вероятными местами образования и распространения трещин (особенно при низких температурах). Хотя в большинстве статей из списка литературы приводится анализ микрофотографий сечения соединений, единой теории причины образования трещин не прослеживается.
В таблице 1 представлены сводные результаты исследовательских работ, в основе которых лежал следующий типовой эксперимент: для фиксированного сочетания припоев BGA-компоненты (в некоторых экспериментах это нефункциональный макет компонента, в котором есть только межсоединения выводов для построения последовательной цепи), запаянные при различных термопрофилях, термоциклировались до возникновения функционального сбоя или неконтактирования. Также исследовалась зависимость от размера корпуса, в ряде работ изучалось влияние расположения компонента на печатной плате, влияние адгезива типа «underfill», финишного покрытия печатной платы и др.
В статьях нет явных указаний, выполнялся ли реболлинг BGA-компонентов для получения свинцовосодержащих шариков, но пониженные значения надёжности для этих случаев позволяет предположить, что реболлинг может приводить к снижению надёжности. В статье, посвящённой реболлингу [8], сообщается о положительных результатах термоциклирования, однако заявленная продолжительность эксперимента в 24 часа не могла обеспечить достаточного количества циклов. Поэтому вопрос снижения надёжности в результате реболлинга остаётся открытым, а в качестве базового сценария рекомендуется смешанная пайка с экспериментальным подбором термопрофиля.
Призываю отнестись к представленным данным с универсальным сомнением и поделиться в комментариях своим экспериментальным опытом.
Бессвинцовые припои
Состав, свойства и особенности припоев без свинца
Ликвидируем безграмотность в таком вопросе, как бессвинцовые припои.
Припои, в составе которых присутствует свинец, называют свинцовыми или свинцовосодержащими.
Стоит отметить тот факт, что соединения свинца вредны для здоровья. В том числе и по этому, в последнее время всё активнее применяются не содержащие свинец припои.
В Европе и США с недавних времён, а точнее с июля 2006 года директивой RoHS принят запрет на использование свинец-содержащих припоев в производстве электроники. Под раздачу также попали такие химические элементы, как кадмий, ртуть, шестивалентный хром и некоторые другие. Их содержание в электронных компонентах строго нормировано.
Наверняка Вы уже наблюдали вот такой логотип на корпусе своего ноутбука или другого электронного устройства (см. фото). Он обозначает, что устройство собрано с применением бессвинцовой технологии.
Эмблема RoHS на корпусе нетбука
Не считайте, что применение бессвинцовых технологий чем-то улучшает потребительские качества электроники. Возможно это и так. Японцы, например, давно занимаются разработкой и внедрением бессвинцовых технологий в производство и, естественно, добились в этом успехов.
Но для тех производителей, которые впервые столкнулись с ограничениями на применение свинца, возникает вопрос переоснащения производства и, как следствие, это удорожает электронную продукцию.
Стоит отметить тот факт, что бессвинцовая технология пайки требует применения соответствующих радиоэлектронных компонентов, адаптированных для пайки припоями без свинца. По сравнению с обычными свинцовыми припоями, они имеют пониженные характеристики по смачиваемости и текучести, требуют соблюдения дополнительных технологических мер при пайке, так как возникает необходимость в выдержке узкой границы термопрофиля.
Известно, что оптимальной температурой при пайке свинец-содержащими припоями считается температура 180 – 230°C. Температура плавления большинства бессвинцовых припоев лежит в интервале 200 – 250°C. Есть и такие, температура плавления которых ниже 180°C.
Припои, не содержащие свинца, дороже обычного свинцово-оловянного. Также вызывает много споров качество пайки бессвинцовыми припоями.
Итак, перейдём ближе к теории.
Для замены свинца в припое применяются такие металлы, как медь (Cu), серебро (Ag), висмут (Bi), индий (In), цинк (Zn) и даже золото (Au).
В изготовлении электроники хорошо зарекомендовал себя трёхкомпонентный сплав олова, серебра и меди (SnAgCu). Процентное соотношение металлов в сплаве может быть разным – до сих пор нет строгого мнения по этому вопросу. Несмотря на это, большую часть в сплаве занимает олово (95-97%). Температура расплавления данного сплава составляет 217-221°C. Чтобы он был пригоден для пайки волной, в него вводят небольшой процент сурьмы (0,5%).
Сплав SnAgCu с добавлением сурьмы (Sb) применяется в изготовлении особо ответственных узлов в оборонной технике и автономных устройствах.
Хорошими качествами обладают припои, в которых роль свинца выполняет серебро (SnAg).
Наличие в сплаве серебра улучшает механические свойства пайки. Тестами доказано, что припои, содержащие серебро, делают пайку более прочной, чем аналогичные свинцовосодержащие. Кроме того, серебро обладает хорошей проводимостью. Нередко такие сплавы применяются в профессиональной промышленной электронике и системах связи, где механическая надёжность и качество соединения очень важно.
Используется в плавких предохранителях, а также при ступенчатой пайке и монтаже деталей и компонентов, чувствительных к высокой температуре.
Припои с содержанием висмута (Bi), индия (In), цинка (Zn) и серебра (Ag).
Припои с содержанием висмута и индия обладают высокой стоимостью. На поставки этих металлов есть ограничения. Также их не рекомендуют применять в приборах с высокой температурой эксплуатации.
Высокотемпературные припои на основе сурьмы (Sb) и золота (Au).
Припой Sn91Zn9 считается высокотемпературным (91% олова и всего лишь 9% цинка). Температура его плавления составляет 195-200°C. Высокую температуру плавления данному сплаву придаёт практически 100% содержание олова, которое также способствует увеличению прочности.
Припои с содержанием цинка заслужили нелучшую славу. Причина в том, что цинк придаёт сплаву повышенную химическую активность и низкую коррозийную стойкость. В связи с этим, припои на основе цинка требуют использования активных флюсов, а это требует обязательной отмывки после пайки. Припойные пасты с содержанием цинка нельзя долго хранить. А пайку ими рекомендуется вести в среде защитного газа.
Наиболее удачным для замены оловянно-свинцового припоя Sn63Pb37 является близкий по свойствам сплав Sn95,5Ag3,8Cu0,7. Он применяется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже элементов.
Двухкомпонентный припой Sn99,3Cu0,7 имеет низкую прочность пайки и довольно высокую температуру расплавления в 227°C. По сравнению с оловянно-медными припоями лучшими качествами, как по смачиваемости, так и по прочности, обладают серебросодержащие. Так припой Sn96,5Ag3,5 успешно применяется при сборке специальной аппаратуры. Тесты показали, что он имеет более высокие показатели надёжности по сравнению с аналогичными свинцовыми припоями.
Как видим, есть припои, в которых свинец отсутствует вовсе, и его нет даже в небольшом процентном отношении. Но так ли плох свинец на самом деле?
Свинец, как в виде сплава, так и в чистом виде известен человечеству давно. Использовался для изготовления даже водопровода в Древнем Риме! Да, именно так, хотя его химические соединения опасны для здоровья, он имеет свойство накапливаться в организме.
Чистым оловом также можно производить пайку, но оно довольно дорого, обладает высокой температурой плавления (231,9°C) и таким нежелательным, но удивительным свойством, как «оловянная чума».
Так что, возможно, в скором времени можно будет сказать, что для уничтожения себе подобных используются боеприпасы безопасные для экологии и здоровья 
.
Что такое бессвинцовый припой
Бессвинцовый припой для пайки печатных плат — в чем его отличия от свинцового припоя? Многие начинающие радиолюбители думают о пайке как о чем-то таком, что под силу только профессионалам. Но на самом деле это может оказаться легким процессом для изучения, если вы хотите этому научится.
Но в действительности, освоить монтаж и пайку компонентов без специального оборудования и длительного обучения вполне возможно. Эта статья призвана дать вам все, что вам нужно знать о бессвинцовых припоях, а также припоях, в которых присутствует определенный процент свинца.
Что такое бессвинцовый припой и свинцовый?
Бессвинцовый припой — это элемент, который производится без каких-либо токсичных материалов. Их также называют нетоксичными припоями, потому что они не содержат элементов тяжелых металлов, которые могут вызвать проблемы со здоровьем. Есть два типа бессвинцовых припоев; мягкий и жесткий. Мягкий материал содержит более 50% серебра, а твердый — менее 10%. Оба типа этого материала для пайки сегодня широко используются.
Свинцовый припой — это свинец и олово. Он используется для большинства процессов производства электроники, таких как сборка печатных плат, монтаж компонентов SMT и т.д. Основным преимуществом использования свинцового припоя является формирование прочных соединений с другими металлами, такими как медь и алюминий. Однако из-за экологических проблем производители переходят на бессвинцовые припои вместо свинцового. К ним относятся эвтектика SnPb, олово — серебро и чистое золото.
Преимущества использования свинцовых припоев
Свинцовый имеет несколько преимуществ по сравнению с тем, чем обладает бессвинцовый припой. Некоторые из них перечислены ниже:
Формирование прочных соединений между разными металлами
Это означает, что материал для пайки, в составе которого есть свинец, обеспечивает лучшую электропроводность между различными металлами. Например, свинцовый материал обеспечивает хорошее соединение меди и никелированной стали. Напротив, бессвинцовый припой не подходит для этих металлов.
Легкость в использовании
В отличие от бессвинцового припоя, свинцовый сплав перед нанесением не требует применения флюсов или чистящих средств. Вы просто наносите паяльную пасту прямо на поверхность, где хотите соединить провода. После нагрева расплавленный металл стекает в зазоры между концами проводов. После охлаждения состав затвердевает, образуя прочную связь.
Отличная смачиваемость
Свойство смачивания свинцового припоя облегчает обтекание небольших отверстий и узких пространств. В результате это позволяет быстро и легко устанавливать соединения.
Низкая точка плавления
При сравнении свинцового припоя с припоем без свинца, температура плавления свинцового сплава выше 183°С, тогда как бессвинцовый припой плавится при 165°С. Поэтому свинцовый припой не подходит для высокотемпературных применений.
Ремонт и переделка
Поскольку свинцовый припой образует более прочные соединения, повторная переделка становится затруднительной. Вот почему важно выбрать правильный тип материала для пайки в зависимости от области применения. Если вы планируете повторно использовать плату после пайки, то покупайте свинцовый. В противном случае приобретите бессвинцовый припой.
Недостаток использования свинцового припоя
Хотя свинцовый припой имеет множество преимуществ, есть и некоторые недостатки. Вот некоторые из них:
Токсичные пары, образующиеся при плавлении
При нагревании свинцовый припой выделяет ядовитые газы, называемые цианистым водородом и оксидом углерода. При неправильном обращении эти газы могут представлять серьезную опасность для жизни человека.
Поэтому всегда необходимо устанавливать надлежащие системы вентиляции.
Плохие теплоотводящие свойства
Высокое термическое сопротивление свинцового припоя затрудняет отвод избыточного тепла, выделяемого во время пайки. В результате легко происходит перегрев, вызывающий повреждение расположенных поблизости электронных устройств.
Высокий риск возгорания
Воспламеняемость свинцового припоя значительно увеличивается при контакте с воздухом. Следовательно, при работе со свинцовым припоем необходимо соблюдать осторожность.
Дорогостоящий
По сравнению с другими припоями свинцовый припой стоит намного дороже. Это может стоить от 0,50 доллара за 45 гр. до более 1 доллара за этот же вес. Эта разница в цене во многом зависит от степени чистоты выбранного припоя. Чем ниже процент примесей в сплаве, тем дешевле продукт.
Свинец и бессвинцовый припой: пояснение
Чтобы понять, как работает свинцовый припой, давайте сначала посмотрим, что происходит в случае использования бессвинцового припоя. Когда бессвинцовый припой вступает в контакт с кислородом, на его поверхности образуется оксидный слой, предотвращающий дальнейшее окисление.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока припой не достигнет комнатной температуры. На этом этапе состав полностью окислился и больше не может образовывать прочных соединений. Чтобы предотвратить такие проблемы, производители разработали несколько типов припоев, не содержащих свинца, это олово-серебро, олово-медь и олово-цинк.
Эти три типа бессвинцовых припоев различаются в основном своим составом. Следующие пункты демонстрируют различия между свинцовым и бессвинцовым припоем.
1. Олово-серебро
Этот вид припоя содержит не только олово, но и серебро. Серебро действует как катализатор, который помогает уменьшить количество кислорода, присутствующего в припое. Кроме того, серебро также улучшает электропроводность соединения. С другой стороны, олово служит основным металлом, обеспечивающим прочность соединения. Он также снижает вероятность коррозии, действуя как защитный агент от влаги.
2. Медьсодержащий сплав
Припой SnCu состоит как из олова, так и из меди. Медь здесь играет две роли; одна состоит в повышении механической прочности припоя, а другая — в повышении его электропроводности. Однако, поскольку медь дороже олова, большинство производителей используют в своей продукции лишь небольшие количества меди.
3. SnZn — сплав олова и цинка
Припой SnZn вместе с оловом содержит цинк. Цинк используется, потому что он снижает температуру плавления припоя. Поскольку цинк дешевле олова, многие компании предпочитают использовать цинк вместо олова.
Причины, при которых используется бессвинцовый припой
Существуют различные причины, при которых у вас может возникнуть необходимость перейти в процессе производства печатных плат с традиционного свинцового на бессвинцовый припой. Вот некоторые из них:
Более низкая стоимость
Поскольку бессвинцовый припой стоит намного дешевле, чем свинцовый, малым предприятиям становится проще позволить себе новую технологию. Более того, по сравнению с обычными методами, бессвинцовая пайка требует меньше операций и экономит время и деньги.
Экологически чистый
В отличие от свинцового, бессвинцовый припой не выделяет токсичных паров или отходов. Следовательно, нет необходимости вывозить эти отходы на свалки. Кроме того, в отличие от свинцового, бессвинцовый припой не может загрязнять источники воды.
Безопасная работа
При работе со свинцовым составом всегда есть вероятность получить ожог из-за его высокой горючести. Но если вы работаете с бессвинцовым припоем, то шансы получить травму очень низки.
Отсутствие загрязнения окружающей среды
Как упоминалось ранее, свинцовый припой во время расплавления выделяет вредные газы и остатки. Такие вещества загрязняют окружающую среду и вызывают серьезную опасность для здоровья. Однако, если использовать бессвинцовый припой, то нет риска загрязнения окружающей среды.
Как выбрать лучшее решение для пайки?
Выбор подходящего типа припоя зависит от того, как часто вы планируете выполнять паяльные работы. Если вы собираетесь ремонтировать только время от времени, то свинцового припоя будет достаточно. Однако, если вам нужно часто паять, то припой без свинца может оказаться более полезным. Следующие факторы могут помочь вам решить, что лучше всего подходит для ваших нужд: свинцовый или бессвинцовый припой:
Форма
Существуют различные типы припоя, включая проволоку, прутки, шарики, пасту и преформы. У каждой формы есть свои достоинства и недостатки. Например, при использовании пруткового или сферического припоя у вас больше возможностей контролировать количество используемого припоя.
С другой стороны, пастообразный припой имеет тенденцию растекаться, что затрудняет его использование в труднодоступных местах. Припой для преформ поставляется в качестве опции, которая устраняет проблему, связанную с растеканием.
Это также обеспечивает лучший контроль над количеством нанесенного материала. Кроме того, предварительно отформованный припой не выделяет токсичных паров, подобно таким, которые выделяются расплавленным припоем.
Стоимость
Если вас беспокоит стоимость, то цены на бессвинцовый припой, обычно ниже, чем на их аналоги. Это связано с тем, что их производство обходится дешевле. Кроме того, поскольку они не содержат опасных материалов, они требуют меньше мер безопасности.
Безопасность пайки
Если вы хотите обеспечить безопасную пайку, используйте бессвинцовый припой. Эти продукты не содержат вредных химикатов, таких как кадмий, ртуть, мышьяк и т.д. Они также исключают возможность образования опасных паров. Более того, бессвинцовый припой не вызывает проблем со здоровьем, в отличие от свинцового аналога, который содержит тяжелые металлы.
Требования к монтажу
Выбирая свинцовый припой, помните, что он хорошо работает при соединении двух разных типов металлических поверхностей. Сюда входят медь и латунь, а также алюминий и нержавеющая сталь. С другой стороны, бессвинцовый припой имеет более широкий диапазон применения, включая, среди прочего, использование таких металлов, как олово и серебро, никель и золото.
Размер
По размеру свинцовый сплав для пайки больше бессвинцового припоя. Вы найдете их в размерах от 12 гр. до 30 грамм. В то время как бессвинцовый припой варьируется от 6 гр. до 60 грамм, в зависимости от предпочтений производителя.
Доступность
Если вы живете рядом с магазином электроники, то покупка бессвинцового припоя непосредственно у них может быть удобной. С другой стороны, покупка этого материала в Интернете может потребовать некоторых усилий и дополнительных затрат на доставку. Поэтому перед покупкой ознакомьтесь со всеми доступными вариантами, чтобы не купить то, что не соответствует вашим требованиям.
Заключение
И свинцовый, и бессвинцовый припой имеют свои преимущества и недостатки. Решая, какой материал для пайки лучше всего подойдет для ваших проектов по производству печатных плат, подумайте о стоимости, безопасности, требованиях к монтажу и простоте выполнения, прежде чем останавливаться на одном конкретном бренде.
Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса
Если говорить о принципиальных моментах, то бессвинцовая пайка практически ничем, кроме температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. 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.
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. Особенно чувствительны к скорости охлаждения многокомпонентные сплавы, содержащие более двух металлов. В таких припоях могут образовываться различные интерметаллические соединения в зависимости от скорости охлаждения.
Исследования стандартной технологии монтажа на поверхность и пайки волной припоя показали, что 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.
Технологии всех составляющих процесса производства постоянно совершенствуются. Большинство вопросов связанных с технологическим процессом пайки уже решены. Производители приводят достаточно подробную информацию по способу процесса пайки выпускаемых ими изделий на своих сайтах в соответствующих разделах.
Основными причинами перехода к новому типу припоев (помимо экологической безопасности) являются более высокие эксплуатационные характеристики таких припоев. Однако существует ряд причин, по которым промышленное применение такого типа припоев до сих пор ограничено. Дело в том, что бессвинцовый тип припоев имеет более высокую температуру пайки, что сказывается на сложности паяльного оборудования: приходится выдерживать более узкую границу термопрофиля (рис. 1).
Рисунок 1
Оборудование должно иметь термодатчики расположенные по всей площади нагрева печатной платы и контролировать термопрофиль в режиме реального времени.
Естественно, что переоборудование сборочного цеха для использования бессвинцового типа припоев экономически невыгодно для производителей, однако, по мнению специалистов, борьба за чистоту окружающей среды и требования к повышению качества пайки при постоянной тенденции уменьшения размеров устройств, приведут к полному переходу электронной промышленности на безсвинцовые припои к концу 2005 года.
Подбор оптимального термопрофиля
При использовании бессвинцовых припойных паст разница температур между участками плат с большей массой и меньшей должна быть минимальной. Это достигается правильно подобранным температурным профилем пайки. Уменьшить разницу температур позволяют следующие методы:
Рисунок 2
Используя такую форму термопрофиля современные печи оплавления позволяют уменьшить температурную разницу между 45 мм BGA и корпусом SO микросхемы до 8°С, что считается приемлемым.
Основные типы бессвинцовых припоев
Существует 5 основных групп бессвинцовых припоев:
Использование такого типа припоев рекомендуется для пайки в среде защитного газа.
Сегодня выдано множество 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, однако выбор уже есть. Сплавы отличаются как по температуре плавления, так и по смачиваемости, прочности, стоимости. Каждый припой обладает уникальным сочетанием свойств.
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.
Лучшими свойствами обладают сплавы Sn/Ag, у них более высокая смачиваемость и прочность по сравнению с Sn/Cu. Эвтектический сплав Sn96,5/Ag3,5 с температурой плавления 221°C при испытаниях на термоциклирование показал более высокую надежность по сравнению с Sn/Pb. Припой Sn96,5/Ag3,5 многие годы успешно применяется в специальной аппаратуре.
Эвтектический припой Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 был получен в результате доработки базового сплава Sn/Ag. Несколько лет назад этот сплав был неизвестен, поскольку припой Sn/Ag/Cu имел более низкую точку плавления (217°C) по сравнению с Sn/Ag. Точный состав этого припоя по-прежнему остается предметом для обсуждения. Sn/Ag/Cu может быть использован для получения как универсальных, так и высокотемпературных 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.
Самая последняя информация приводится на сайтах производителей.
Результаты проводимых во многих странах исследований говорят о том, что на сегодняшний день лидером в бессвинцовой гонке являются сплавы системы Sn/Ag/Cu. Возможно, через некоторое время будут найдены и другие составы.
Бессвинцовые покрытия и их совместимость
О совместимости покрытий
Использование бессвинцовых покрытий при производстве печатных плат не является какой-то новостью. Промышленность в течение многих лет применяет сплавы типа Ni/Au, Pd/Ni, Sn, Ag, Pd, имидазол (C3H4N2) и OSP. 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 NCMS исследования показали, что смачиваемость четырех из пяти бессвинцовых покрытий (имидазол, горячий Sn, Pd/Ni и Pd) не выдерживает критики по сравнению с эвтектикой Sn/Pb. Наиболее перспективным покрытием для пайки меди бессвинцовыми припоями признан имидазол. Покрытия Sn, Pd и Au обеспечивают хорошую смачиваемость практически для всех припоев, однако плохо работают с Sn58/Bi по меди.
Перспективными для производства бессвинцовых печатных плат считаются также сплавы системы Sn/Cu, близкие к Sn/Pb по своим характеристикам. Однако более высокая температура процесса может вызвать нежелательные эффекты. После нескольких циклов оплавления и/или ремонта покрытия теряют свои защитные свойства.
Различают флюсы основные (известняк, доломит, пиритный огарок, известь, сода, которые содержат окислы кальция, магния, железа и др. металлов), кислые (кварц, песок, кремень, содержащие кремнезём) и нейтральные (глина, бокситы, бой шамотного кирпича, плавиковый шпат, содержащие глинозём или фторид кальция). Расплавы цветных металлов и сплавов предохраняют от окисления покровными или защитными флюсы; для этой цели применяются главным образом хлориды и фториды щелочных и щёлочноземельных металлов (каменная соль, сильвинит, карналлит, криолит, бура, канифоль). При пайке и сварке используют канифоль, буру, хлорид цинка, хлорид аммония, плавиковый шпат и др. флюсы Для дуговой электросварки разработан ряд флюсы, которые предварительно переплавляют и обрабатывают, а сварку ведут непосредственно под флюсы
© «Большая Российская энциклопедия»
Неактивированные флюсы широко применяются для пайки изделий ответственного назначения и в качестве консервирующих покрытий, сохраняющих паяемость печатных плат в условиях длительного складского хранения.
Режим пайки волной при переходе от Sn/Pb 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°C), 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
Для достижения высокого качества отмывки требуются разные 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 и точная информация приводится на сайтах производителей.