Регистрация Вспомнить пароль
Задать вопрос специалисту
CAPTCHA

Выбор низкотемпературных сплавов для решения специальных задач в производстве электронных изделий

21 Октября 2010

Металлы и их сплавы нашли широкое применение в производстве электронных изделий. Свой ства этих материалов известны и хорошо изучены, но в ряде случаев возникает необходимость экспериментальным путём находить наиболее подходящее решение для специальных задач. к таким задачам могут относиться: многостадийная пайка, пайка неметаллических поверх ностей, создание паяных соединений для новых условий эксплуатации, создание теплопрово дящих слоёв, герметизация электронных приборов и т.д. Решающим фактором при выборе материалов для подобных задач является возможность проведения испытаний и отработки технологии. В данной статье мы рассмотрим варианты применения низкотемпературных спла вов в решении специализированных задач.

Низкотемпературные сплавы широко применяются в производстве электронных изделий. В основном, эти материалы используются для соединения различных компонентов методом пайки или прижима. При этом такие сплавы обеспечивают создание надёжных механических, электрических, тепловых и/или герметизирующих контактов.

Выбор сплава осуществляется исходя из особенностей конструкции, механических/электрических характеристик и условий эксплуатации прибора.

В зависимости от задач выбор припоя может определяться следующими основными факторами:

Современная промышленность предоставляет широчайший выбор сплавов. Это позволяет решать специфические задачи, возникающие перед разработчиками и технологами при создании новых устройств и отработке технологии. Основная проблема, возникающая при этом – поиск наиболее подходящего сплава для конкретной задачи.

Пайка металлических поверхностей

Пайка – процесс соединения двух различных деталей при помощи специального припоя. Особенностью пайки является то, что припой находится в жидком состоянии, а соединяемые компоненты в твёрдом.

Пайка металлических поверхностей происходит в три этапа. На первом этапе припой смачивает поверхности соединяемых деталей. На втором этапе происходит взаимное растворение смоченного материала и припоя или их взаимная диффузия. После охлаждения припой переходит в твёрдое состояние.

На качество процесса пайки влияет чистота паяемых поверхностей и качество припоя. Присутствие окислов снижает смачиваемость или делает его невозможным вовсе. Для удаления окислов используется флюс или специальная восстановительная атмосфера (водород, формир-газ(водород/азот)).

Параметров для выбора необходимого припоя множество. При возникновении новой задачи или при выборе альтернативного решения в некоторых случаях требуется экспериментальное исследование и анализ.

В качестве примера можно рассмотреть один из важнейших критериев при выборе сплава для пайки - совместимость металлов. Если, например, пайка осуществляется к поверхностям, покрытым золотом, то особое внимание следует уделять выбору сплава и толщине золотого покрытия. При толщине золота менее 0,5 мкм могут использоваться стандартные сплавы (например 63Sn37Pb), но если золотое покрытие имеет толщину более 1 мкм, то пайка оловосодержащими припоями приводит к образованию хрупких интерметаллических соединений. В таких случаях олово в припое заменяется индием (если рабочая температура конечного изделия не превышает 125оС) или используется традиционный припой 80Au20Sn (в случае рабочих температур свыше 125оС). Хотя физические и электрические характеристики этих припоев, как правило, известны и в ряде случаев хорошо изучены, не всегда можно ответить на такие вопросы, как: поведение припоя при термоциклировании или при воздействии сверхнизких температур, стабильность электрических параметров, возможные паразитные эффекты и т.д. Необходимо проводить испытания и анализ.

Другим примером может служить использование специальных сплавов в создании медицинских электронных устройств. Наиболее популярным металлом для создания катетеров и различных имплантов является сплав никель/ титан. В связи с этим возникает задача выбора подходящего припоя для пайки данного материала. Известно, что лучшими характеристиками по смачиваемости поверхности никель/титан являются сплавы 96,5Sn3,5Ag, 80Au20Sn и другие золотосодержащие сплавы. Но для того, чтобы ответить на вопрос, какой из сплавов является наиболее подходящим решением для данной задачи, необходимо проводить испытания на токсичность этих сплавов и, что самое важное, необходимо подобрать флюс, который должен хорошо устранять оксиды с поверхности никеля/титана и обязательно полностью удаляться в процессе отмывки. Подобные задачи требуют экспериментального поиска подходящего сплава и отработки технологии его использования.


Пайка неметаллических поверхностей

Пайка неметаллических поверхностей может осуществляться с помощью индийсодержащих припоев. Индий смачивает такие неметаллические поверхности, как: стекло, глазурованная керамика, слюда, кварц и различные оксиды металлов. Связь между припоем и неметаллической поверхностью образуется за счёт адгезии естественного оксида индия, толщина которого на открытом воздухе составляет

80–100 Ангстрем, к неметаллу. В процессе пайки в области контакта происходит формирование дополнительного оксида индия, за счёт чего и происходит соединение компонентов.

Поскольку для данного процесса необходимо присутствие окисла индия, то использование флюса недопустимо. В связи с этим перед процессом пайки необходимо тщательно очищать соединяемые поверхности с помощью отмывочных жидкостей, органических растворителей и деионизованной воды. В случае пайки стекла, кварца или глазурованной керамики адгезия существенно увеличивается после предварительного нагрева соединяемых поверхностей до 350оС.

Прочность паяного соединения для такого процесса, как правило, составляет 0,3-0,5 кгс/мм2. Для сравнения – прочность паяного соединения в технологии поверхностного монтажа с использованием Sn63(63Sn37Pb) составляет 5–7 кгс/мм2. Основными сплавами для пайки неметаллических поверхностей являются:

52In48Sn, 100In, 90In10Ag и 97In3Ag. Первые два сплава обеспечивают наи- большую смачиваемость, третий и четвёртый – большую прочность из-за содержания серебра в составе. Таким образом, низкотемпературные сплавы на основе индия находят применение для пайки неметаллов и в некоторых специализированных задачах могут рассматриваться как альтернатива приклеиванию.

Обеспечение теплового режима работы электронных приборов

Высокие мощности электронных приборов вызывают их разогрев в процессе эксплуатации. Для надёжной работы тепло должно отводиться от компонентов так, чтобы температура этих компонентов не превышала допустимых значений. Перегрев существенно ухудшает характеристики приборов и сокращает время их жизни. Тепловой режим работы прибора обеспечивается отводом тепла от источника нагрева к радиатору и последующего его рассеяния.

Мягкие сплавы нашли широкое применение в создании теплопроводящих соединений благодаря высоким значениям теплопроводности (20 – 86 Вт/мК). Такие сплавы могут использоваться в качестве припоев для осуществления процесса пайки или в качестве сжимаемых прокладок, если в устройстве предусмотрена дополнительная механическая фиксация и прижим.

Сплавы, содержащие висмут, не подходят для создания теплопроводящих соединений из-за низкой теплопроводности и хрупкости. Сплав 80Au20Sn хорошо выдерживает нагрузки, но является довольно твёрдым и не подходит для соединения компонентов с существенным различием в коэффициентах теплового расширения (КТР).

Наиболее подходящими припоями для создания теплопроводящих слоёв являются индийсодержащие сплавы. Индий – мягкий металл с высокой теплопроводностью (86 Вт/мК), хорошо смачивает большинство поверхностей и не меняет своих свойств при термоциклировании.

Припои для создания теплопроводящего соединения, как правило, используются в виде лент или готовых прокладок (преформ).

При осуществлении пайки очень важно не допустить образования пор и пустот в паяном соединении, поскольку они снижают теплопроводящие свойства. Основной задачей здесь является выбор сплава, который должен хорошо смачивать паяемые поверхности. Помимо этого необходимо учитывать КТР соединяемых компонентов. Несоответствующие значения КТР могут приводить к нарушению паяного соединения, поэтому для создания теплопроводящих слоёв рекомендуется использовать мягкие припои.

Отдельно стоит сказать о флюсах. Качество и тип флюса очень важны, поскольку флюс является основной причиной образования пор в паяном соединении. В связи с этим рекомендуется использовать флюс с минимальными остатками после пайки.

Другим типом теплопроводящего соединения является прижимная конструкция, в которой мягкие сплавы используются без расплавления только за счёт механической фиксации и давления. В этом случае мягкие сплавы используются в качестве сжимаемых теплопроводящих прокладок (тепловых пружин).

Основными металлами здесь являются индий и сплавы на его основе. Данные сплавы помещаются между двумя поверхностями и сжимаются под действием внешней силы. При этом происходит заполнение всех неровностей, присутствующих на поверхностях соединяемых компонентов, и создание качественного теплового контакта.

Основными преимуществами тепловых пружин являются:

Наибольшей популярностью для получения качественного теплового контакта пользуются мягкие сплавы на основе индия. Данные сплавы используются для создания паяного соединения или в качестве теплопроводящих прокладок в прижимной конструкции.

Герметизация электронных устройств

Герметизация электронных микросхем и полупроводниковых приборов осуществляется с помощью присоединения крышки корпуса к его основанию методами сварки, пайки или прижима.

Низкотемпературные сплавы используются для создания герметичного соединения путём припаивания крышки корпуса к его основанию или механического прижима. Металлические сплавы обеспечивают наивысший уровень герметичности по сравнению с остальными типами материалов. Здесь важно учитывать все особенности сплавов и условий эксплуатации, о которых мы говорили в самом начале. Прижимная конструкция требует герметизирующих прокладок. Материалы прокладок должны быть мягкими для заполнения всех шероховатостей поверхности. Основным материалом в данном случае является индий. Этот металл, благодаря своей пластичности, сохраняет свойства даже при очень низких температурах и обеспечивает высокий уровень герметичности. Поэтому индий нашёл широкое применение в криогенной технике. Иногда используются индийсодержащие сплавы, но добавление других элементов (Pb, Sn или Ag) снижает пластические свойства индия и, как следствие, возможность формирования герметичного контакта. Низкотемпературные сплавы традиционно используются для создания герметичных соединении методами пайки или прижима. Основными сплавами для таких задач являются сплав 80Au20Sn и сплавы, содержащие индий.

Заключение

Современная промышленность предоставляет большой выбор различных сплавов для создания механических, электрических, тепловых и герметизирующих контактов. Свойства специальных сплавов, их характеристики и поведение в новых условиях эксплуатации подчас остаются неизвестными. Поэтому многие задачи, возникающие в процессе производства, требуют проведения экспериментальных исследований и отработки технологии.

Широкий выбор доступных сплавов позволяет с максимальной эффективностью решать сложные и специализированные задачи. И существенную роль здесь играет возможность получения различных сплавов в небольших количествах.

Чтобы помочь производителям в выборе подходящих сплавов для решения специализированных задач и отработки технологии, компания Indium разработала наборы сплавов для испытаний. Наборы включают в себя более 20 различных сплавов в виде паяльных паст, лент или проволоки, а также несколько типов флюсов. В дополнение к этому компания Indium предлагает набор сжимаемых прокладок (тепловых пружин) для создания теплового контакта в прижимной конструкции. Наборы Indium дают возможность повысить эффективность и качество решения специализированных задач.

Наборы для испытаНий IndIum

Сплавы Indium

Основные сплавы Indium, доступные в наборах для испытаний.

Номер сплава

Состав (%)

Ликвидус/ Солидус (°C)

Применеие

42

46Bi 34Sn 20Pb

96E

Может быть использован с той же металлизацией что и для оловянно-свинцовых припоев

1E

52In 48Sn

118E

Хорошая смачиваемость стекла, кварца, керамики. Пластичный при низких температурах.

281

58Bi 42Sn

138E

Традиционный низкотемпературный припой.

4

100In

157

Чистый Индий. Мягкий, пластичный металл. Смачивает большинство поверхностей включая керамику, оксиды металлов, стекло и кварц. Неограниченно сжимается при нагрузке. Не становится хрупким, используется в криогенной технике.

Sn63

63Sn 37Pb

183

Наиболее распространённый сплав в электронной промышленности.

241

95.5Sn 3.8Ag 0.7Cu

220/217

Бессвинцовый сплав. Замена свинцово-оловянным сплавам в потребительской электронике.

150

81Pb 19In

275/260

Уменьшает растворение золота. Хорошая стойкость к термоциклированию.

182

80Au 20Sn

280

Прочный сплав. Широко используется в электронике для военных изделий и космоса. Может паяться без флюса или специальной атмосферы.

151

92.5Pb 5Sn 2.5Ag

296/287

Широко применяется в микроэлектронике. Обычно паяется в атмосфере формир-газа.

164

92.5Pb 5In 2.5Ag

310/300

Высокая стойкость к термоциклированию. Подходит для пайки золочёных поверхностей.

Флюсы Indium

Флюсы Indium для пайки, доступные в наборах для испытаний.

Номер флюса

Отмывочная жидкость

Пайка металлов

Температурный диапазон

#40A

Вода

SnNi гальванопокрытие & KovarTM, Pb, окисленная Cu, латунь, бронза, BeCu, Rh, Cd, Ni

100°C - 250°C

#5RA

IPA

Pb, окисленная Cu, латунь, бронза, BeCu, Rh, Cd, Ni, solder plate, Sn

125°C - 350°C

#5RMA

IPA

Solder plate, Sn, чистая Cu, Pt, Pd, Ag, Au

125°C - 350°C

#5R

IPA

Чистая Cu, Pt, Pd, Ag, Au

125°C - 350°C

Тепловые пружины Indium

Свойства сплавов для тепловых пружин.

Номер сплава

Состав

(%)

Темпераура плавления (0C)

Удельная электропроводность, мкОм-см

Коэффициент теплопроводности, Вт/мК

Коэффициент теплового расширения (мкм/м0C @ 200C)

Прочность на разрыв (PSI)

1E

52In 48Sn

118

14.7

34

20

1720

290

97In 3Ag

143

7.5

73

22

800

4

100In

157

7.2

86

29

273

Автор, должность:
Роман Кондратюк, ведущий инженер
Отдел:
Технологических материалов
Email:
materials@ostec-group.ru
Издание:
Информационный бюллетень «Степень интеграции», октябрь 2010, №4