Фирма КОМПЭЛ

Бессвинцовая пайка: подробности, альтернативы, особенности монтажа

Безсвинцовая пайка диктует перемены

Разработка нового законодательства об охране окружающей среды, такого, как директива Совета Европы по экологической безопасности RoHS (Restriction of use of Certain Hazardous Substances - ограничение на использование опасных веществ), стала причиной многих проблем для фирм, занимающихся распайкой плат традиционными методами с использованием припоев, содержащих свинец, особенно принимая во внимание тот факт, что на Европейском рынке свинец будет полностью запрещен к применению в большей части электронного оборудования начиная с июля 2006 г.

К счастью, уже была проделана большая часть работы по определению жизнеспособной композиции безсвинцового припоя, комбинации материалов и условий технологических процессов пайки, обеспечивающих экономическую целесообразность, а также надежность, равную или лучшую, чем у технологий, основанных на использовании оловянно-свинцовых припоев.

Проводимые электронными компаниями мира программы перехода на полностью бессвинцовое производство электроники набирают темпы. В Японии работы подошли к заключительной стадии. Европейские законодатели торопят своих производителей отказаться от использования свинца в припоях для пайки электронной аппаратуры. Американские законодатели еще не определились с решением этой проблемы. Но все фирмы, поставляющие оборудование и материалы, стараются предложить рынку решения для перехода на безсвинцовую технологию.

Существуют две основные причины перехода к бессвинцовым технологиям.

Первая причина заключается в том, что свинец оказывает вредное воздействие на здоровье человека. При попадании в организм через дыхательные пути или пищевод свинец накапливается в пищеварительном тракте, что оказывает вредное воздействие на кровеносную и центральную нервную системы человека. Кроме того, свинец влияет на репродуктивную функцию человека. Стандартное значение максимально допустимой концентрации свинца в крови составляет 130 мг/л. В США допустимая концентрация - 100 мг/л.

Основные потребители свинца - автомобильная и военная отрасли промышленности. В электронной промышленности удельный вес применения свинца относительно мал - 0,5…7%, по данным различных источников. Но вследствие стремительного роста отходов электронных систем, особенно бытовых, проблема избавления от свинца становится все острее. При выборе альтернативы свинцовой пайке следует руководствоваться степенью опасности материалов.

• Кадмий высокотоксичен - применяться не должен. Компания Ford Motors, например, запрещает использование материалов с содержанием кадмия;
• Сурьма высокотоксична и не рассматривается как основной металл в сплавах (средний риск, европейские ученые считают этот материал канцерогенным);
• Серебро и медь используются в бессвинцовых сплавах в малых количествах - в Европе уровень опасности этих материалов считается низким;
• Олово и цинк - основные элементы, которые могут использоваться для покрытий пищевой тары, но становятся токсичными при повышенных дозах в пище;
• Висмут - безвредный металл, применяемый в медицине.

Вторая причина - большие термические нагрузки на компоненты, что влечет за собой ужесточение требований к работоспособности узлов пайки. В автомобильной промышленности для уменьшения числа проводов, а следовательно, и снижения стоимости электронной системы все больше микросхем размещается в моторном отделении, температура которого может превышать 150°С. Прочностные характеристики припоев Sn6xPb3x при циклических термических нагрузках ухудшаются уже при температуре 125°С, а более высокая температура приводит к пластическим деформациям, диффузии, рекристаллизации и росту зерна внутри узла пайки. Обычные припои Sn62/Pb36/Ag2 (температура плавления 179°С) и Sn63/Pb37 (183°С) характеризуются достаточно хорошей стабильностью свойств и микроструктуры, а значит, и надежностью паяных соединений при рабочей температуре до 150°С. Однако механическая стабильность паяных соединений ухудшается при приближении рабочей температуры к точке плавления и при термоциклировании в условиях повышенных температур, поэтому вероятность повреждения сплавов Sn/Pb достаточно высока, а прочностные характеристики Sn6xPb3x могут ухудшаться уже при 125°С. Более высокая температура приводит к пластическим деформациям, диффузии, рекристаллизации и росту зерна внутри узла пайки. Один из перспективных альтернативных сплавов - Sn/Ag/Cu. Этот сплав включен в список JEIDA и рекомендован Европейско-британским консорциумом по исследованию перспективных материалов (European Brite-Euram Consortia) как основной припой для электронной промышленности. Анализ систем сплавов Sn/Ag/X показал, что наиболее устойчив к появлению трещин при термических нагрузках и самая вероятная альтернатива системе Sn/Pb - это припой Sn/4Ag/0,5Cu. Существуют и другие сплавы, используемые в промышленности как альтернатива сплавам Sn/Pb.

Существует пять основных групп бессвинцовых припоев.

• Sn/Cu. Медьсодержащие эвтектические припои изначально создавались для пайки печатных плат волной припоя. Недостатком этого типа является высокая температура плавления и худшие механические свойства по сравнению с другими бессвинцовыми припоями.
  
  
• Sn/Ag. Серебросодержащие припои используются в качестве бессвинцовых припоев уже много лет. Они имеют хорошие механические свойства и лучше паяются, чем медьсодержащие припои. Эти припои также являются эвтектическими, температура плавления 221°С. Сравнительные тесты пайки таким типом припоя и обычным припоем, содержащим свинец, показывают значительное преимущество безсвинцового припоя по надежности пайки.
  
  
• Sn/Ag/Cu. Сплав олова, серебра и меди является трехкомпонентным эвтектическим припоем. Он использовался задолго до появления припоя, содержащего серебро. Преимущество такого типа заключается в более низкой температуре плавления (217°С). Соотношение компонентов в таком припое является по сей день предметом постоянных дискуссий. Припой с составом 95,5%Sn+3,8%Ag+0,7%Cu рекомендован для Brite-Euram project (European Research in Advanced Materials). Этот проект показал, что такой тип припоя обладает лучшей надежностью и спаиваемостью, чем бессвинцовые припои, содержащие серебро и медь. Добавление сурьмы (0,5%Sb) позволило приспособить этот тип припоя для пайки волной. Этот тип припоя используется в промышленности наряду с серебросодержащим. Предпочтение тому или иному типу отдается исходя из экономических соображений и оборудования производства.
  
  
• Sn/Ag/Bi (Cu) (Ge). Низкая температура плавления такого сплава сильно повышает надежность пайки. Температура плавления такого типа припоя в различных сочетаниях соотношений металлов колеблется в диапазоне 200…210°С. Компания Matsushita подтвердила, что этот тип припоев обладает лучшей спаиваемостью среди бессвинцовых припоев. Добавление Cu и/или Ge улучшает прочность паяного соединения, а также смачиваемость спаиваемых поверхностей припоем. Значительная тенденция такого типа припоев образовывать припойные перемычки по сравнению с другими бессвинцовыми припоями может быть уменьшена добавлением других примесей.
  
  
• Sn/Zn/Bi. Этот тип припоев имеет температуру плавления, близкую к эвтектическим припоям, содержащим свинец, однако наличие Zn приводит ко многим проблемам, связанным с их химической активностью: малое время хранения припойной пасты, необходимость использования активных флюсов, чрезмерное шлакование и оксидирование, потенциальные проблемы коррозии при сборке. Использование такого типа припоев рекомендуется для пайки в среде защитного газа.

Для сборки особо важных устройств (оборонная промышленность, автономные устройства) рекомендуется использование высококачественных Sn/Ag/Cu припоев с добавкой, при необходимости, Sb. Для профессиональной техники (промышленность, системы связи) рекомендуется использование Sn/Ag/Cu или Sn/Ag двухкомпонентных эвтектических припоев. Для техники широкого потребления (TV, аудио-, видео-, офисное оборудование) может использоваться широкий диапазон сплавов, таких, как Sn/Ag/Cu(Sb) и сплавов группы Sn/Ag. В меньшей степени используются припои Sn/Cu и Sn/Ag/Bi - их выбор обусловлен финансовой политикой компаний (в основном по отношению к припоям, содержащим висмут (Bi)).

На рынке на сегодняшний день представлено множество бессвинцовых припоев с целой номенклатурой температур плавления. Однако те, что показывают лучшие результаты в пайке оплавлением и волной, обладают значительно более высокими температурами плавления, чем оловянно-свинцовые припои, заменить которые они призваны.

Для собираемых материалов и компонентов это означает необходимость применения более высокой температуры, требуемой для пайки оплавлением, волной и ручной пайки. Повышенные температуры означают изменения в материалах, оборудовании и процессах.

Учитывая, что бессвинцовые припои ведут себя отчасти не так, как оловянно-свинцовые, для достижения успешного безсвинцового монтажа необходимо принимать во внимание множество важных факторов.

Как и во многих вопросах, связанных с переходом на безсвинцовую сборку, поставщики становятся все больше осведомлены о возникающих проблемах, и часто могут предложить специфические решения. Трудно переоценить важность установления диалога с производителями оборудования.

Качество безсвинцового припоя определяется долей "вредных" примесей в сплаве, снижающих прочность паяного соединения. Так, например, примесь никеля способствует образованию пустот в паяном соединении, примесь алюминия - тусклости и зернистости, железо увеличивает окалину, излишняя медь снижает смачиваемость, а излишняя сурьма чревата хрупкостью паяного соединения при низких температурах. Поэтому чистота металлов в сплаве является важнейшим слагаемым качества!

Используют бессвинцовые припои от таких известных производителей как Interflux, Ku Ping Enterprice Co., которые производятся только из металлов первой плавки и имеют высшую степень очистки согласно общеевропейским нормам.

Бессвинцовая альтернатива

Традиционный монтаж в электронной промышленности основан на использовании оловянно-свинцовых припоев с содержанием олова и свинца в отношениях 60:40 или 63:37 с температурой плавления, равной или близкой к 183°С.

Было предложено много бессвинцовых припоев в замен традиционных, содержащих свинец, с температурами плавления от значительно более низких до значительно более высоких, чем у обычных припоев. Для того чтобы установить определенное соответствие бессвинцовых припоев припоям, содержащих свинец, ряд таких организаций, как Soldertec, IPC и Intellect, рекомендовали промышленности в большинстве применений ограничить свой выбор припоев и специальных сплавов.

Припои, основанные на сплаве олова, серебра и меди, известные как припои SAC, широко используются как для пайки оплавлением, так и для пайки волной. Оловянно-медные припои используются в волновой пайке. Температуры плавления этих припоев лежат в диапазоне 215…220°С. Для волновой пайки подходит оловянно-медный эвтектический сплав (Sn-0,7Cu) с температурой плавления 227°С, являющийся одним из наиболее дешевых бессвинцовых сплавов на рынке.

Таким образом, для большинства Европейских компаний, переходящих на бессвинцовые припои, ключевые проблемы во всем процессе производства сосредоточены вокруг использования разных составов припоев и факта, что все они, по всей видимости, потребуют более высоких температур пайки.

Бессвинцовая пайка оплавлением

Для высоких пиковых температур пайки возможно понадобится изменить и оптимизировать как оборудование, так и параметры процесса, такие, как кривая плавления для каждого конкретного сплава.

Для большинства применений, использующих стандартные компоненты и печатные платы, было определено, что с введением лучшего контроля за процессом пайки, пиковая температура пайки должна быть выше только на 15…20°С температуры плавления припоя.

Поддержание температуры плавления как можно более низкой позволяет уменьшить нагрузки, которым подвергаются печатные платы и установленные на них компоненты. Уход от чрезмерных температур также помогает уменьшить интерметаллические образования, особенно в паяных соединениях, подвергаемых более чем одному циклу пайки. Температурное профилирование необходимо для определения оптимальной кривой плавления, особенно в случаях сложных печатных плат.

Основной вклад в оптимальную кривую плавления вносят размер и вес сборки, плотность компоновки, соотношение больших и малых элементов, а также тип используемой паяльной пасты. Кривая плавления должна также оптимизироваться для каждого выбранного сплава.

Условия пайки также должны быть оптимизированы для комбинации типа сборки, паяльной пасты и прочих ограничений, связанных с используемыми материалами. Безсвинцовые компоненты могут паяться конвекционно, но многие проблемы могут быть решены применением современных печей с принудительной конвекцией и большим количеством нагретых зон с более точным контролем над процессом плавления.

Печи с атмосферой азота показывают лучшие результаты по смачиваемости при более низких пиковых температурах, при этом позволяя получить более низкий градиент температур по сечению платы, что, несомненно, является преимуществом в случае двухсторонней сборки. Вследствие использования более высокой температуры при пайке бессвинцовым припоем в отдельных случаях платы больше подвержены короблению в ходе пайки. Впрочем, эта проблема может быть решена использованием конвейера с поддержкой центральной части плат.

Пайка волной

Ключевым требованием для формирования высококачественного паяного соединения в процессе пайки волной является правильная комбинация флюса, нагрева и припоя. Критические переменные включают нанесение флюса, подогрев, температура припоя и время воздействия припоя.

В случае условий волновой пайки, не оптимизированных под конкретный тип платы и сплав припоя, могут создаться условия для множества дефектов. Среди прочих возможно образование перемычек между контактными площадками, пайка с излишками припоя. Платы могут также коробиться.

Феномен, известный как отслаивание контакта, наблюдался в бессвинцовых сборках, впрочем это не приводит к каким-либо значительным отказам. Могут иметь место другие проблемы, включая отслаивание контактных площадок и разрыв соединений.

Использование разных типов припоев приводит к возможности нежелательного загрязнения тигля, приводящего к композиционным изменениям состава припоя. Увеличение содержания меди в припое приведет к интерметаллическим образованиям, уровень которых увеличивается с увеличением температуры пайки.

Со временем концентрация меди может достичь 2%, что приведет к дендритной кристаллизации, возникающие при этом оловянно-медные образования оседают на дне тигля, затрудняя смену припоя. Как только концентрация меди превысит 1,55%, целесообразно слить припой, заменив его новым. Тип гальванического покрытия контактов печатных плат также оказывает влияние на уровень растворения меди в ванне с припоем, и применение никелирования может иметь положительный эффект.

Безсвинцовые припои не смачивают паяемую поверхность так эффективно, как оловянно-свинцовые эвтектические припои, поэтому требуются большее время воздействия припоя и большая температура тигля. Впрочем, применение атмосферы азота может значительно улучшить смачиваемость, позволяя снизить температуру тигля при пайке бессвинцовым припоем, не ухудшая свойства пайки.

Ручная пайка

Как правило, ручная пайка обычно выполняется ближе к концу процесса сборки. Обычно к этому моменту большая часть элементов установлена, а значит, правильно налаженный процесс безсвинцовой пайки необходим для того, чтобы избежать дорогостоящих ошибок.

Обучение операторов и контроль за процессом ручной пайки может оказывать решающее влияние на уменьшение стоимости производства и увеличение производительности. Операторы должны быть поставлены в известность, что бессвинцовые припои плавятся при более высоких температурах и паяются иначе, чем обычные оловянно-свинцовые припои. Простое увеличение температуры паяльника при переходе на безсвинцовую пайку может лишь частично решить вопрос качественного паяного соединения. Лучший вариант - увеличенная продолжительность контакта.

Форма и состояние наконечника, а также мощность паяльника и продолжительность нагрева соединения также должны учитываться. Потребуется более частая замена наконечников паяльника из-за того, что припои с высоким содержанием олова разрушают покрытие жала, служащее защитой от растворения медного основания, а также из-за высоких температур и более агрессивных флюсов.

Выводы

Можно сделать несколько основных выводов, способных облегчить задачу инженеров-технологов при переходе к безсвинцовой пайке. Сплав необходимо выбирать, руководствуясь типом производства, условиями работы конечного изделия, типом покрытия печатной платы и выводов компонентов, чувствительностью компонентов к температуре и технологией пайки. Температурный профиль, используемый при пайке Sn62Pb36Ag2, переносится на 30°С вверх по температурной шкале, при этом максимальная температура пайки составит 235°С. Такой сплав требует применения специального флюса с продленной активностью, способного работать при повышенных температурах. Для электронной промышленности наиболее приемлемый припой для замены традиционных сплавов Sn63Pb37 и Sn62Pb36Ag2 - Sn95,5Ag3,8Cu0,7, пригодный для пайки оплавлением (т.е. в пасте) и для пайки волной. Наличие меди препятствует образованию интерметаллидов.

Отдельно необходимо отметить припои, содержащие висмут. Эти сплавы не могут применяться в процессах, где присутствует свинец (покрытия платы или выводов компонентов). Существует еще несколько сплавов, которые могли бы применяться в различных областях промышленности. Но из-за специфических свойств и содержания дорогостоящих металлов их применение существенно ограничено.

Особенности монтажа компонентов по технологии lead-free

В 2006 году в странах ЕС вступит в силу Соглашение, запрещающее использование в производстве веществ, содержащих вредные примеси (в частности, свинец). В связи с этим можно прогнозировать рост интереса разработчиков к появившимся в последнее время электронным компонентам, выполненным по технологии lead-free. Данные компоненты при пайке требуют специализированных припоев, в состав которых не входит свинец (бессвинцовые паяльные пасты).

Особенность данных паст состоит в том, что они имеют большую температуру плавления по сравнению с общепринятыми пастами на основе Sn/Pb. Кроме того, бессвинцовые пасты характеризуются меньшей растекаемостью (73-77%), чем припои, содержащие свинец (Sn63/Pb37 - 93%).

Ниже приводятся таблицы кратких характеристик Sn/Pb и бессвинцовых паст:

Выводные корпуса

Материал выводов	Режим пайки	Материал корпуса	Ограничения
SnPb	Припой SnPb Стандартный режим пайки	Обычный корпус	Отсутствуют
Sn	Припой SnPb Стандартный режим пайки	Выдерживает высокие температуры	Отсутствуют
SnPb	Бессвинцовый припой Пайка при 255°C (+5/-0°C)	Обычный корпус	Если в пасте присутствует висмут, то под воздействием температуры взаимодействие со свинцом может вызвать расслоение и ослабление паяного соединения
Sn	Бессвинцовый припой Пайка при 255°C (+5/-0°C)	Выдерживает высокие температуры	Отсутствуют

BGA-корпуса

Материал выводов	Режим пайки	Материал корпуса	Ограничения
SnPb	Припой SnPb Стандартный режим пайки	Обычный корпус	Отсутствуют
Sn	Припой SnPb Стандартный режим пайки	Выдерживает высокие температуры	Температура пайки более 220°C, достаточно для расплавления BGA-выводов
SnPb	Бессвинцовый припой Пайка при 255°C (+5/-0°C)	Обычный корпус	Возможно расслаивание или окисление BGA-выводов и, как следствие, отсутствие паяного соединения
Sn	Бессвинцовый припой Пайка при 255°C (+5/-0°C)	Выдерживает высокие температуры	Отсутствуют

Применение бессвинцовых паст требует большей температуры нагрева и более точного мониторинга всего технологического процесса пайки.