Припои. Металл или сплав, выполняющий роль связки при соединении твердых металлических тел методом паяния, называется припоем.

Ввиду того, что одной из главнейших характеристик припоя, определяющей как назначение, так и способ применения его, является температура плавления, наиболее рационально разделить все припои по этому признаку на два класса: легкоплавкие или низкотемпературные, - имеющие температуру плавления ниже 400-450°С (к которым относятся сплавы на оловянной, свинцовой, кадмиевой, индиевой, висмутовой и цинковой основах), и тугоплавкие или высокотемпературные, - имеющие температуру плавления выше 450-500°С (сюда войдут сплавы на медной, серебряной, золотой, алюминиевой, магниевой и никелевой основах) [3].

Применяемые для паяния металлы и сплавы-припои должны обладать следующими специфическими свойствами, без которых невозможно получение надежного соединения:

1) температура плавления припоя обязательно должна быть ниже температуры плавления паяемых металлов;

2) расплавленный припой должен хорошо смачивать паяемый металл и легко растекаться по его поверхности;

3) в расплавленном состоянии припой должен обладать высокой жидкотекучестью, необходимой для хорошего заполнения шва;

4) прочность и пластичность припоя должны быть достаточно высокими;

5) в паре с паяемыми металлами припой должен быть коррозионно-устойчивым;

6) коэффициент термического расширения припоя не должен резко отличаться от коэффициента расширения металла основы;

7) припои, применяемые для паяния токопроводящих изделий, должны иметь высокую электропроводность;

8) металлы, входящие в состав припоя, не должны быть дефицитными и чрезмерно дорогими.

По техническим свойствам припои делятся на самофлюсующиеся (частично удаляют окислы с поверхности металла) и композиционные (состоят из тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих производить пайку с большими зазорами между деталями).

Существует 5 основных групп бессвинцовых припоев [3]:

1. SnCu. Медьсодержащие эвтектические припои изначально создавались для пайки печатных плат волной припоя. Недостатком этого типа является высокая температура расплавления и худшие механические свойства по сравнению с другими бессвинцовыми припоями.

2. SnAg. Серебросодержащие припои имеют хорошие механические свойства и лучше паяются чем медьсодержащие припои. Эти припои также являются эвтектическими, температура расплавления 221°С.

3. SnAgCu. Сплав олова, серебра и меди является трехкомпонентным эвтектическим припоем. Преимущество такого припоя заключается в более низкой температуре расплавления 217°С.

4. SnAgBi (Cu) (Ge). Низкая температура плавления такого сплава сильно повышает надежность пайки. Температура расплавления такого типа припоя в различных сочетаниях соотношений металлов колеблется в диапазоне 200-210°С. 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.

5. SnZnBi. Этот тип припоев имеет температуру расплавления близкую к эвтектическим свинецсодержащим припоям, однако наличие Zn приводит ко многим проблемам связанным с их химической активностью:

1. Малое время хранения припойной пасты

2. Необходимость использования активных флюсов

3. Чрезмерное шлакование и оксидирование

Использование такого типа припоев рекомендуется для пайки в среде защитного газа.

Основные типы бессвинцовых припоев приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные типы припоев, используемых в электронной промышленности:

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. Бессвинцовые 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.

Можно сделать несколько основных выводов, способных облегчить задачу инженеров-технологов при переходе к бессвинцовой 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.

Как правило, производятся безотмывные и водосмываемые пасты; бессвинцовые пасты на основе канифоли применяются значительно реже. Характеристики некоторых паяльных паст компании AIM, предназначенных для бессвинцовых технологий классифицируются: NC 254 (безотмывная), NC 368 (безотмывная), WS 353 (водосмывная). Эти пасты нацелены на использование при высокоплотном монтаже корпусов типа BGA.

Наиболее значимые изменения должны быть внесены на стадии оплавления как результат различия в температуре плавления бессвинцовых припоев и припоев ряда Sn/Pb. В отличие от сплавов группы Sb/Pb, имеющих температуру пика 210-220°С градусов, пиковая температура большинства бессвинцовых припоев составляет 235-260°С градусов. В связи с этим особенно важно минимизировать ДТ при максимальном смачивании в течение всего температурного профиля, включая стадию охлаждения. Выбор оптимального температурного режима зависит от плотности печати, размеров компонентов и характеристик печи оплавления.

Требуемые более высокие температуры пайки могут привести к проблемам непропаев, в целом более характерной для бессвинцовых паст, чем для традиционных Sn/Pb паст. Температурный режим, включающий продолжительную выдержку при низкой температуре, эффективно сокращает количество непропаев.

В таблице 2 приведены некоторые виды ограничений.

Таблица 2. Ограничения использования припоев в зависимости от материала корпуса.

7. Возможные дефекты

Важным моментом является тот факт, что повышенная температура пайки приводит к более высокой чувствительности компонентов к влажности. Это связано с тем, что повышение температуры пайки всего на 25°C приводит к примерно 1,5-кратному повышению давления водяного пара внутри компонента, что может вызвать различные механические дефекты [4]. Чувствительность электронных компонентов к влажности стандартизирована и выражается в так называемом уровне чувствительности к влажности (MSL - Moisture Sensitivity Level). При переходе на Lead-free технологии производители стремятся сохранить уровень MSL, однако это получается не всегда. В ряде случаев компоненты, выполненные по новой технологии, имеют более низкий уровень MSL, что приводит к ужесточению требований при их хранении (разумеется, лишь в случае использования высокотемпературных профилей пайки).

Припои, не содержащие свинца, как правило, имеют более высокий коэффициент поверхностного натяжения, что приводит к увеличению числа дефектов типа "tombstone" (поднятие компонента при пайке, см. рисунок 3).

Маркировку корпусов, соответствующую стандартам организации Joint Electronic Device Engineering Council (JEDEC), как правило, содержат надпись Pb-free или Lead-free, означающую отсутствие свинца (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Варианты маркировки упаковки компонентов, не содержащих свинца

10. Заключение