Безсвинцовые технологии

С введением в действие директивы 2002/96/ЕС Европейского Парламента и Совета от 27 января 2003 года по отходам  электрического и электронного оборудования (WEEE) перед современной радиоэлектронной промышленностью встала задача организации сбора и удаления отходов, имеющих в своем составе тяжелые металлы и огнезащитные составы. Для успешного решения этой проблемы одним из необходимых условий является переход на технологии изготовления электронного оборудования с применением материалов, не содержащих свинец.

В директивах RoHS и WEEE нет  четкого определения понятия "бессвинцовый". Тем не менее, в отрасли сложилось  представление, что максимально  допустимая концентрация свинца составляет 0,1% по массе в гомогенном "бессвинцовом" материале, если только свинец не был  намеренно внесен (т. е. в каждом материале  перед пайкой). Это значение является предельным для каждого гомогенного  материала, т.е. выводы компонента, покрытия вывода компонента, стекловолокна, литого пластикового изделия, припоя, покрытия контактной площадки и т.д.

Бессвинцовые технологии – серьезный вызов отечественной  промышленности в настоящее время. С одной стороны, изделиям отечественных  предприятий, подпадающим под названные  директивы и изготовленным по традиционной ("свинцовой") технологии, закрыт путь на рынки развитых стран. С другой стороны, в открытой продаже  имеется только бессвинцовая ЭКБ (электронная компонентная база) общепромышленного назначения, что не во всех случаях может удовлетворить наши предприятия.

Бессвинцовое исполнение компонентов подразумевает, во-первых, отсутствие в материале выводов  и их покрытий свинца и, во-вторых, предполагается, что эти компоненты рассчитаны на технологические воздействия при  монтаже бессвинцовыми материалами.

Рекомендованные зарубежными  изготовителями режимы монтажа и  применяемые материалы не соответствуют  стандартным требованиям для  отечественной аппаратуры и отечественных  ИЭТ (изделие электронной техники).

Для примера на рис.1 представлены температурно-временные зависимости  для технологического процесса пайки  оплавлением припойной пасты, содержащей свинец, традиционного для России состава (на базе сплава SnPb) и наиболее распространенной бессвинцовой припойной  пасты (на основе сплава SnAgCu).

Существенные различия двух режимов монтажа заключаются  не только в максимальной температуре  нагрева, но и в уровне предварительного нагрева (по температуре и времени) и общей длительности процесса.

Анализ температурных  профилей позволяет сделать вывод, что значительно расширяется  диапазон технологических воздействий  на коммутационные платы и ИЭТ. Рекомендованные  режимы пайки бессвинцовыми припойными пастами просто выведут из строя, как отечественные традиционные компоненты, так и традиционные печатные платы. Можно взять любые технические условия (ТУ) на отечественные компоненты и убедиться в том, что рекомендованные режимы бессвинцовой пайки находятся за пределами требований этих ТУ.

Попытки применять традиционные отечественные компоненты с покрытием  выводов золотом, серебром и другими  материалами, не содержащими свинца, в сочетании с пайкой бессвинцовыми  припоями не приводят к созданию надежной "бессвинцовой" технологии. Бессвинцовость должна быть обеспечена и со стороны коммутационной платы, в том числе с точки зрения покрытия контактных площадок и устойчивости всей конструкции к повышенным технологическим воздействиям при бессвинцовой сборке.

В работах А. Шуберта [2], проведенных  в Институте прикладных исследований надежности и микроинтеграции им.Фраунгофера (Fraunhofer IZM), были исследованы основные механизмы ползучести для свинцовых  и бессвинцовых припоев. На рис.2 представлены результаты этих исследований на примере стационарной ползучести при комнатной температуре для припоев SnPbAg, SnAg, SnAgCu.

Анализ графиков показывает, что при малых напряжениях (<15 Мпа) скорость ползучести для бессвинцовых припоев меньше, чем у свинецсодержащего  припоя SnPbAg. При повышенных напряжениях  наблюдается обратная картина и  у свинцовых припоев имеются  преимущества.

М. Новоттник, исходя из предположения  о том, что механические напряжения в основном появляются из-за разности температурных коэффициентов расширения различных материалов, делает вывод  о том, что при уменьшении размеров компонентов будут уменьшаться  нагрузки на паяное соединение и наблюдаться  преимущества у бессвинцовых припоев, а для крупных компонентов  с большими различиями температурных  коэффициентов применение бессвинцовых припоев может быть критичным.

В работе Й.-П. Клеха [3] исследован процесс образования трещин в  паяных соединениях в зависимости  от циклического растяжения. Выявленная зависимость представлена на рис.3.

Установлено граничное значение растяжения, равное 6,2%. При больших  деформациях лучшие значения надежности имеют припои SnPb. На этом основании  зарубежными специалистами делается вывод, что при монтаже миниатюрных  компонентов (типоразмера 0402 и менее) с применением бессвинцовых припоев SnAgCu (эти припои принято обозначать – SAC) может быть достигнута большая  надежность. Правда, делается уточнение  – "особенно для высокотемпературных  применений". Для более крупных  компонентов, начиная с типоразмера 1206 (или с размером грани 3,2 мм) тенденция  меняется на противоположную и предпочтительным становится припой SnPb.

Переход на бессвннцовую технологию — процесс сложный и может коснуться не только изменения паяльных материалов, но и оборудования. По опыту голландской фирмы Cobar, потребуется не менее двух лет, чтобы не только подобрать все материалы и оборудование, но еще и отработать весь технологический процесс.

Как казалось на первый взгляд, исключение свинца из технологического процесса — это всего лишь замена свинцового сплава на бессвинцовый, в результате чего температура пайки повысится на 30-40 °С. Но в действительности все гораздо сложнее.

Бессвинцовые сплавы (слайд 5)

Из соображений рентабельности, безвредности, метталических свойств  и других параметров, основой безсвинцовых сплавов служит олово (Sn). Для достижения близкой к свинецсодержащим сплавам точки плавления (Sb/Pb — 183°C), олово комбинируют с серебром (Ag), медью (Cu), цинком (Zn) или сурьмой (Sb).

(слайд 6) Комбинация из двух сплавов (олова и любого второго элемента) не может обеспечить достаточного качества свойств, по этому как правило используются сплавы из 3х или 4х элемеентов — например, сплав Sn/Ag/Cu. Оловянно-серебрянные сплавы обладают наилучшими металлическими свойствами (по мимо всего, серебро в сплаве еще и препятствует миграции серебра в припой с посеребрянных выводов). Третьем элементом сплава как правило выступает висмут, медь или цинк, в зависимости от необходимых свойств припоя.

Важнейшие свойства бессвинцовых припоев. Характеристки на которые следует прежде всего обращать внимание:

• Наличие металла — термическая усталость, связывающая сила
• Температура плавления
• Паяемость — способность к смачиванию и растекаемость
• Образование пустот
• Цена
• Патентованность
• Токсичность

Краткий обзор использующихся в бессвинцовой технологии сплавов:

Сплав SnAg3.5 Достоинства:Высокое качество отпечатка, Очень терпим к примесям. Недостатки: Слишком высокая температура плавления, Высокая цена, Слишком слабые механические силы,

Сплав SnAg3.0-3.5Cu0.5-0.7 Достоинства: высокие свойства сопротивляемости тепловой усталости, отличная смачиваемость, крайне высокие показатели механической надежности соединений. Недостатки: Температура плавления около 220 °C, что почти на 30 °С выше температуры плавления сплавов на основе свинца, Высокая цена: цена припоев значительно (до трех раз) выше цен на оловянно-свинцовые припои

Сплав SnZn8Bi3or6/SnZn9 Достоинства: Температура плавления — 199 °C, Надежность паяных соединений, Высокая сопротивляемость тепловой усталости, Низкая цена. Недостатки: Из-за особенностей цинка (высокая ионизация, коррозийность) использование сплава затруднено, Использование возможно только в азотной или среде с низким содержанием кислорода, Высокое образование шариков припоя, Образование связи с медью, отсутствие термостойкости. В сочетании с висмутом, эвтетика SnBi (138 °C) начинает смачивание первой. Казалось бы, проявляются отличные свойства смачивания, однако, — соединительные силы деградируют из-за обильного смачивания вывода одним висмутом.

Сплав SnAg0.5-2.8Cu0.5-0.7Bi1.0-3.0 Достоинства:Хорошая смачиваемость. Недостатки: Очень слабое сопротивление тепловой сталости: не рекомендуется использовать для продуктов, которое будут эксплуатироваться в температурных режимах близких к 90 °C, Высокое образование шариков припоя, Трудно совместим с активаторами твердых припоев

Сплав SnCu0.7Sb. Достоинства:Низкая цена, Неплохая сопротивляемость тепловой усталости. Недостатки: Сомнительные перспективы пайки оплавлением — температура плавления выше 227 °C, Очень слабая смачиваемость

Сплав SnAg2.8Bi15. Достоинства: Низкая цена, Неплохая сопротивляемость тепловой усталости. Недостатки: Самые низкие характеристики надежности соединения и темпловой усталости из всех бессвинцовых сплавов, Высокое образование шариков припоя, При попытке использовать в смешанной технологии (одновременной пайке свинецсодержащих и бессвинцовых компонентов) начинает взаимодействовать со свинцом, что приводит к критическому падению температуры основной стадии паяльного процесса и чрезмерной хрупкости соединения

Сплав SnBi57Ag1 Достоинства: Может быть использован для пайки при температуре 170-180 °C, Высокая стойкость к тепловой усталости, Низкая вероятность отслаивания. Недостатки:Запасы висмута очень ограничены (3000 тонн на всей планете) и не пригодны для использования в большом количестве, При пайке свинцовых компонентов соединение становится крайне хрупким, Недостаточная прочность толсто-пленочных соединений, Решение для узкого круга задач, где требуется низкая температура плавления слава

Сплав SnAg3.5Cu0.5Sb0.2. Достоинства: Эстетичен: придает соединениям матовость и блеск, Хорошее сопротивление темпловой усталости, Противостоит эффекту «надгробного камня» (подъема элемента при пайке волной припоя). Недостатки: Температура плавления выше 220 °C, Самая высокая цена среди всех бессвинцовых сплавов

Таким образом, наиболее сбалансированными  сплавами являются SnAgCu и SnAgCuSb. Стоит  также отметить сплав SnZnBi, который  может быть использован в ряде задач, в которых не выжны очень  высокие свойства паямости, но критичной  является цена.

Изменения технологического процесса

Принципиально бессвинцовый технологический процесс аналогичен обычному процессу с применением свинцовых материалов. Главное отличие — повышение температуры пайки примерно на 30-40°С. Но в связи с этим 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 компонентов, 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 компонентов, особенно в корпусах больших размеров.

Для оценки влияния повышенной температуры и более длительного времени пайки требуется переаттестация существующей технологии пайки.

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.

Более того, физические свойства бессвинцовых сплавов отличны от припоев содержащих свинец. Так, теплопроводность сплава SАC в 1,5 раза выше, чем у SnPb, объем больше, а плотность ниже. Если говорить об объеме потребления паяльной пасты, то потребление бессвинцовой пасты превышает потребление свинцовой.

Поверхностное натяжение  олова намного выше поверхностного натяжения свинца. Полное отсутствие свинца и увеличение олова примерно на 50% заметно увеличивает поверхностное натяжение бессвинцового сплава. Поверхностное натяжение сплава Sn60Pb40 составляет 481 мН/м. Поверхностное натяжение сплава SAC4 составляет 548 мН/м. Из-за этого при образовании бессвинцового паяного соединения не происходит самовыравнивание компонента относительно контактных площадок, как это происходит при использовании свинецсодержащей паяльной пасты. Вряд ли это можно отнести к недостаткам. Однако нужно учесть новые требования по точности монтажа и позиционированию компонентов.

Кроме этого, такие металлы, как олово и медь, окисляются быстрее, чем свинец, и их окислы сложнее  удалять. Бессвинцовые сплавы нуждаются  в более интенсивном нагреве, что способствует более быстрому окислению, что приводит к спеканию частиц припоя (слайд 7) Для предотвращения чрезмерного окисления целесообразно осуществлять пайку в азотной среде. Еще одним отличием свинцовых и бессвинцовых сплавов является их время смачиваемости (табл. 1). Время смачиваемости сплава SnPbAg при температуре 245 °С составляет 8 мс. При увеличении температуры на 15°С время смачиваемости уменьшится всего до 7 мс. Время смачиваемости SAC при температуре 245 °С составляет 460 мс, а при температуре 260 °С оно резко уменьшается до 10 мс. Более длительное время смачиваемости требует более длительного и интенсивного нагрева, что увеличивает энергозатраты. Необходимо использовать более мощные печи с двумя зонами пикового нагрева.