Регистрация Вспомнить пароль
Задать вопрос специалисту
CAPTCHA

НЕВЕРОЯТНО! ПРИВЛЕКАТЕЛЬНОЕ БЕССВИНЦОВОЕ ПАЯНОЕ СОЕДИНЕНИЕ!

6 Июня 2008

«Это не похоже на бессвинцовую пайку! Паяное соединение выглядит практически так же, как привычное оловянно-свинцовое!». Такова реакция людей, которые в первый раз видят результат пайки волной бессвинцовым припоем ELSO LD TC07. И это только одна из причин, по которой многие начинают использовать этот припой.

Согласно статистике значительная доля дефектов в процессе поверхностного монтажа возникает на этапе трафаретной печати. Нередко эта доля превышает 60% от всех дефектов после пайки. Одним из основных способов их устранения, наряду с использованием высокоточного автоматизированного оборудования, является процесс очистки трафарета с нижней стороны.

Удивительно, но смирившись с тем, что в отличие от привычного блестящего оловянно-свинцового бессвинцовое паяное соединение матовое, поражаешься, насколько эстетически красивыми, блестящими и гладкими выглядят галтели припоя ELSOLD TC07.

Исследуя бессвинцовые сплавы и процессы их кристаллизации, разработчики нового сплава обнаружили, что появление матовости на поверхности галтели связано с нарушением образования интерметаллического соединения Cu6Sn5. Дальнейшее изучение процессов образования интерметаллических соединений показало, что атомы никеля, внедренные в структуру припоя, могут стабилизировать образование правильной кристаллической решетки интерметаллида Cu6Sn5.

Эта гипотеза была подтверждена исследованиями, при которых добавление в сплав менее чем 1% никеля радикально изменило внешний вид паяного соединения. Припой и количество различных примесей в его составе являются определяющими факторами, от которых зависит качество и надежность паяных соединений. В таблице 1 приведен типовой состав припоя ELSOLD TC07 и предельно допустимое содержание примесей в ванне.

Таблица 1 Типовой состав припоя ELSOLD TC07и предельно допустимое содержание примесей в ванне

Химические Элементы

Обозначение

ELSOLD TC07 типовые

Олово

Sn

Остальное

Медь

Cu

0,6 +0,1

Никель

Ni

< 0,1

Серебро

Ag

< 0,05

Алюминий

Al

< 0,001

Мышьяк

As

< 0,03

Висмут

Bi

< 0,03

Кадмий

Cd

< 0,002

Железо

Fe

< 0,02

Свинец

Pb

< 0,05

Сурьма

Sb

< 0,05

Цинк

Zn

< 0,001

Однако сплав ELSOLD TC07 интересен не только внешней привлекательностью. Когда в 1999 году модифицированный сплав впервые испытали в установке пайки волной припоя, получили ошеломляющий результат. При температуре 255°C был достигнут уровень перемычек, сопоставимый с пайкой обычным оловянно-свинцовым сплавом. Поверхность галтелей была гладкая и блестящая и опровергала мнение о матовости бессвинцовых паек. Столь же положительные результаты были получены и при горячем лужении.

Примеры параметров процесса пайки приведены в таблице 2, рекомендуемое время контакта печатного узла с волной припоя 3-4 секунды.

Таблица 2 Параметры процесса пайки

Тип ПУ

Температура предварительного нагрева на верхней стороне ПУ

Температура в ванне припоя

Односторонние ПУ

100°C

250°С

Двусторонние ПУ

115°C

255°С

Многослойные ПУ

130°C

260°С

Говоря о бездефектности пайки, отсутствии перемычек, непропаев, неполном заполнении монтажных отверстий и форме галтелей, следует отметить, что благодаря присутствию в сплаве никеля, который препятствует преждевременной кристаллизации, припой ELSOLD TC07 имеет повышенную текучесть, и в результате отмечается более низкий процент перемычек и непропаев. Удивительно, но по сравнению с бессвинцовым сплавом олово-серебро-медь, где серебро присутствует, в том числе и для достижения полного заполнения монтажных отверстий и хорошей формы галтелей, припой ELSOLD TC07 обеспечивает такой же хороший результат, как и при пайке обычным сплавом олово–свинец.

Другая сложность при бессвинцовой пайке волной припоя – это выщелачивание меди с поверхности печатных плат. В результате появляется много проблем по контролю загрязнения припоя медью, постепенного увеличения шламообразования и эрозии ванн из нержавеющей стали.

Выщелачивание меди определяется скоростью, с которой медь растворяется с поверхности печатного узла в ванне с бессвинцовым припоем. Это особенно важно для печатных узлов с медной металлизацией с органическим защитным покрытием. Для бессвинцовых процессов более высокая температура ванны и более высокое содержание олова увеличивает скорость растворения меди. В свою очередь, увеличение содержания меди увеличивает температуру жидкого припоя в ванне, и, соответственно, приходится увеличивать температуру ванны, увеличивая скорость растворения меди. И так по кругу.

Рисунок 1 иллюстрирует, что может случиться, если медь быстро растворяется с контактных площадок. Печатная плата находилась в контакте с бессвинцовым припоем в течение 3 секунд. Медь при пайке сплавом олово-серебро-медь была растворена настолько, что это может влиять на целостность паяного соединения.

Рис. 1 Микрошлиф контактной площадки с растворенной медью. (a) Sn3,0Ag0,5Cu (б) ELSOLD TC07

Для определения скорости растворения меди был проведен ряд лабораторных исследований с использованием сплавов олово-серебро Sn63/Pb37, олово-серебро-медь (SAC305) и ELSOLD TC07. В одном из тестов тонкая медная проволка диаметром 0,48 мм, находящаяся под контролируемым натяжением, погружалась в расплавленный припой при температуре 255°C, после чего измерялось время до его разрыва. По результатам, приведенным в таблице 3, можно видеть, что припой ELSOLD TC07 растворяет медь гораздо медленнее, чем остальные сплавы.

Таблица 3 Скорость растворения медной проволки

Тип сплава

Время до разрыва, мин

Опыт №1

Опыт №2

63/37 с примесью меди 0,00%

9

10

63/37  с примесью меди 0,17%

15

16

63/37 с примесью меди 0,25%

16

18

SAC305

25

25

ELSOLD TC07

50

45

На рисунке 2 отражено, какое количество меди растворяется в припое при температуре 270°C за этот промежуток времени. Припой ELSOLD TC07 не только растворяет медь медленнее, чем другие бессвинцовые припои, но и медленнее, чем сплав олово-свинец 63/37.

Рис. 2 Количество меди, растворяемой различными припоями в единицу времени

Надежность, одно из самых используемых в последнее время слов по отношению к бессвинцовой технологии, подразумевает способность изделия соответсвовать требованиям условий, в которых оно будет эксплуатироваться в течение согласованного времени. При этом подразумевается как механическая надежность, так и электрическая функциональность. Испытания на ускоренное старение по стандарту IPC показали, что ELSOLD TC07 имеет лучшие характеристики, чем олово-серебро-медь SAC. Сравнение физических свойств сплавов приведено в таблице 4.

Сравнивая электрические свойства, интересный эффект обнаружили производители аудиотехники. Они отметили улучшение качества звучания, когда переключились на ELSOLD TC07. Конечно, оценка уровня звучания очень субъективное дело, но сплав ELSOLD TC07 имеет электрическую проводимость на 23% выше, чем сплав олово-свинец, что помогает поддержанию чистоты сигнала.

Стоимость работы с припоями ELSOLD TC07 и олово-серебро-медь SAС будет складываться из собственно стоимости припоя и стоимости обслуживания ванн.

Применение серебра в сплаве олово-серебро-медь SAС добавляет к стоимости 20 центов на каждый грамм припоя.

Шламообразование также влияет на экономические показатели работы установки. Уровень образования шлама будет зависеть от температуры припоя, нтенсивности агитации, условий окружающей среды, степени частоты припоя и наличия компонентов, уменьшающих шламообразвание. При всех прочих равных условиях при сравнении с сплавом олово-серебро-медь припой ELSOLD TC07 за счет содержания никеля обеспечивает экономию на шламе до 50% в зависимости от условий работы.

ФАКТЫ ОБ ELSO LD TC07

Таблица 4 Сравнение физических свойств сплавов 96SC, ELSOLD TC07, SN63

Тест

Тип сплава

Тестовый метод

Название сплава

96SC

ELSOLD TC07

SN63

Сплав

Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7

Sn/0,7Cu/Ni

Sn63/b37

Температура плавления, °C

217

227

183

Плотность, гр./см3

7,5

7,4

8,4

Удельная теплоемкость, Вт/м*град

220

220

176

Теплопроводность, Вт/м*град

64

64

64

Предел прочности на разрыв, МПа

52

32

44

10 мм/мин при 25°C

Относительное удлинение, %

27

48

25

10 мм/мин при 25°C

Коэффициент растекания, %

230°C

77

-

91

JIS Z 3197

240°C

77

77

92

250°C

77

77

93

260 °C

78

78

93

280 °C

-

78

-

Смачиваемость

Ta

Tb

Fmax

Ta

Tb

Fmax

Ta

Tb

Fmax

Баланс смачивания

Медная проволка 0,3х3,5х25мм

Та – время до появления положительного баланса

Tb – время смачивания

Fmax – сила максимального смачивания

250 °C

0,72

2,10

0,213

1,0

4,53

0,159

0,12

0,80

0.195

260 °C

0,37

1,46

0,213

0,86

2,79

0,181

0,11

0,64

0,200

280 °C

0,23

0,81

0,192

0,47

1,46

0,186

0,10

0,41

0,206

270 °C

0,21

0,48

0,192

0,31

0,8

0,192

0,07

0,31

0,211

Электрическое сопротивление, мкОм

0,15

0,13

0,17

Скорость эрозии меди при 260 °C

Около 2 минут

Около 2 минут

Около 1 минуты

Время до полной эрозии медного провода диаметром 1,8 мм

Предел текучести, время до разрушения

>300 часов

>300 часов

20 часов

145°C с нагрузкой 1 кг.

>300 часов

>300 часов

3 часа

150°C с нагрузкой 1 кг.

>300 часов

>300 часов

7 минут

180°C с нагрузкой 1 кг.

Термоудар

>1000 циклов

>1000 циклов

500-600 циклов

Минус 40°C /плюс 80°C каждый час

Электромиграция

>1000 часов

>1000 часов

>1000 часов

40°C при относительной влажности 95% и

85°C при относительной влажности 85% и

Тест на образование нитей олова

>1000 часов

>1000 часов

>1000 часов

50°C

Автор, должность:
Антон Большаков, начальник отдела
Email:
materials@ostec-group.ru
Издание:
Информационный бюллетень «Поверхностный монтаж», июнь 2008, №6