Bktp-omsk.ru

Делаем сами
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Свинцовая и бессвинцовая пайка

Высокочистый бессвинцовый припой ELSOLD

Бессвинцовый припой является одним из основных материалов, используемых в процессе пайки.

Он специально разработан для применения при групповых методах пайки, таких как пайка волной или двойной волной, протягиванием или погружением.

Так же припой в виде проволоки без флюса используется для ручной пайки с дополнительным флюсованием.

Отличительные особенности и преимущества:
  • Высококачественные пайки без образования сосулек
  • Качество соответствует требованиям международных стандартов J-STD-006, DINEN 61190-1-3, DINEN 29453 и DIN 1707
  • Низкий уровень примесей увеличивает время жизни припоя в паяльной ванне
  • Длительный срок жизни в ванне
Недостатки бессвинцового припоя:
  • Обладают меньшей текучестью и меньшей смачиваемостью. Из этого следует, что такие составы обеспечивают менее надежный контакт.
  • Бессвинцовый припой обладает матовой поверхностью, то есть кристаллизуется под длительным воздействием высоких температур.
  • Вследствие описанных выше свойств высока вероятность отпадания припаянных деталей.
  • При длительном воздействии припоя на рабочую поверхность при высокой температуре последняя может быть повреждена.
  • Бессвинцовые сплавы стоят дороже.
Разновидности бессвинцовых припоев

Существует несколько типов. Самыми популярными являются:

  • Олово/Серебро (имеет обозначение SnAg). Количество олова в составе — 96,5%, а серебра — 3,5%. Температура плавления составляет +221°С. Особенностью состава является то, что его можно использовать с более новыми припоями, покрытым чистым оловом. Что касается традиционных оловяно-свинцовых материалов, то с ними он несовместим.
  • Олово/Медь (обозначается SnCu). Количество олова в сплаве составляет 99,3%, а меди — 0,7%. Этот состав совместим как с новыми, так и старыми традиционными припоями. Точка плавления составляет +227°С. После затвердения имеет матовую поверхность. Отличительными особенностями является низкая стоимость состава, однако и низкие эксплуатационные характеристики.
  • Олово/Серебро/Медь (имеет обозначение SAC). Количество олова в данном соединении — 96,5%, серебра — 3%, меди — 0,5%. В некоторых случаях количество меди может немного отличаться. Этот состав является одним из наиболее популярных так называемых Pb-free припоев. Он совместим с обычными составами на основе свинца. Точка плавления состава составляет +219°С.

Перечисленные бессвинцовые припои являются очень распространенными, и используются в электронной промышленности.

Основные характеристики

приведен для сравнения

Сплавы Олово/Серебро: ELSOLDTS
МаркаSn %Ag%Плотность г/м 3Точка плавления / Диапазон °C
ELSOLD TS3596,5±0,53,5±0,27,35221
ELSOLD TS3896,2±0,53,8±0,27,36221 — 238
ELSOLD TS5095,0±0,55,0±0,27,39221 — 240
Сплавы Олово/Медь: ELSOLDTC
МаркаSn %Cu %ОсобенностиПлотность г/м 3Точка плавления / Диапазон °C
ELSOLDFLOWTIN® TC0799,3±0,50,7±0,2Незначительное количество Ni, Co7,32227
ELSOLDTC0799,3±0,50,7±0,27,32227
ELSOLDTC3097,0±0,52,8-3,07,35230 — 250
Сплавы Олово/Серебро/Медь: ELSOLDTSC
МаркаSn %Ag%Cu %Плотность г/м 3Точка плавления / Диапазон °C
ELSOLD TSC300596,5±0,52,8-3,00,5±0,27,37217 — 219
ELSOLD TSC350795,8±0,53,5±0,20,7±0,27,40217 — 219
ELSOLD TSC380795,5±0,53,8±0,20,7±0,27,40217
Совместимые продукты
  • Indium TACFlux 018 флюс для ремонта
  • Indium TACFlux 025 флюс для ремонта
  • Indium TACFlux 020В флюс для ремонта

Условия поставки

Высокочистые ELSOLD в форме прутков для систем групповой пайки поддерживается на складе.

Упаковка

Припои маркиELSOLD поставляются в виде слитков:

Бессвинцовый припой поставляется на катушках 500 грамм и 1 кг в виде проволоки разных диаметров в диапазоне от 1,0 до 6,0 мм. Так же в виде проволоки используется в системах автоматической подачи для которых он поставляется на специальных катушках весом от 2 до 20 кг.

Хранение и транспортировка

Срок годности материала не менее 24 месяцев от даты производства. Рекомендуется хранить в чистом сухом помещении. Использование после истечения срока годности в большинстве случаев возможно, однако это должно быть подтверждено испытаниями перед использованием.

Особенности пайки бессвинцовым припоем

Переход на использование бессвинцовых припоев обусловлен соображениями повышения экологичности и безопасности человека. Однако это накладывает отпечаток не только на использование данных составов, но и технологии. В каждом конкретном случае они отличаются, однако существует ряд общих нюансов. Среди них:

  • Большинство Pb-free составов совместимы с традиционными припоями. Исключения есть, но их немного (уточняйте отдельно в документации).
  • Бессвинцовые сплавы, как правило, обладают большей температурой пайки. Поэтому зачастую для них необходимо использовать другое оборудование.
  • Из-за высокой температуры пайки компоненты более чувствительны к влажности. Поэтому к готовым изделиям зачастую предъявляются дополнительные требования по хранению.
  • Pb-free припои имеют более высокий коэффициент поверхностного натяжения. Это означает увеличения вероятности появления «вздутия» отдельных элементов на плате.
  • Смачиваемость выводов обычно хуже. Это приводит к появлению «раковин» на микросхемах.

Немного о бессвинцовой пайке

В 2003 году Европейским парламентом и Советом по отходам электрического и электрон­ного оборудования (WEEE) введена директива, регламентирующая применение и утилизацию продукции радиоэлектронной промышленности, имеющей в своем составе тяжелые металлы и огнезащитные составы. Это было обусловлено влиянием тяжелых металлов и составов, приме­няемых при производстве радиоэлектронной про­дукции на жизнь людей, пользующихся электрон­ными устройствами.

В настоящее время радиоэлектронные приборы часто меняют не потому что они выработали свой рабочий и ремонтный ресурс, а в связи с непре­стижностью той или иной «старой» модели этого устройства. Сейчас проблема утилизации продук­ции радиоэлектронной промышленности, содержа­щей свинец и его соединения, стоит особенно ос­тро. По ряду опубликованным данным основными потребителями свинца являются автомобильная и военная техника. В электронной промышленности, по данным различных источников, доля свинца со­ставляет от 0,5 до 7%.

Свинец (Рb) — это легкоплавкий металл сере­бристо-белого цвета с синеватым отливом и тем­пературой плавления 327,46°С. Он имеет плот­ность 11,34 г/см 3 (при 20°С). Свинец и его соединения токсичны. Свинец накапливается в ко­стях и может вызывать их разрушение, осаждать­ся в печени и почках. Свинец негативно воздей­ствует на кровеносную систему и центральную нервную систему, а также негативно сказывается на репродуктивной функции человека. Особенно опасно воздействие свинца на детей: при длитель­ном воздействии может вызывать умственную отсталость и хронические заболевания мозга.

В изделиях электронного производства свинец, в основном, применяется в припоях, при пайке изделий и в покрытиях выводов компонентов и печатных платах. Для монтажа радиоэлектронной аппаратуры ранее наиболее широко применяли легкоплавкие припои ПОС (припой оловянно-свин­цовый), цифры, стоящие после этой аббревиатуры, обозначают процент содержания олова в припое. Хорошо паяются оловянно-свинцовыми припоями такие металлы, как золото, серебро, палладий и их сплавы, а также медь, никель, латунь, бронза. Пло­хо поддаются пайке оловянно-свинцовыми припо­ями железо, сталь, чугун, алюминий (металлы приведены в порядке ухудшения качества пайки).

При описании свойств припоев очень часто пользуются термином эвтектический припой. Эв­тектический припой — это сплав металлов в такой пропорции, при которой существует только одна точка плавления.

Все припои можно разделить на несколько групп:

  • с температурой плавления ниже 180°С (низ­котемпературные);
  • с температурой плавления 180…220°С;
  • с температурой плавления 200…230°С;
  • с температурой плавления 230…350°С (высо­котемпературные).

Бессвинцовые припои, в свою очередь, можно разделить на пять основных групп, каждая из ко­торых имеет свои характерные особенности и свойства:

  1. SnCu — медьсодержащие эвтектические при­пои применяются для пайки печатных плат волной припоя. Имеют высокую температуру плавления.
  2. SnAg — эвтектические припои, содержащие серебро. Обладают хорошими механическими свойствами и хорошо паяются. Температура плав­ления 221°С.
  3. SnAgCu — к преимуществам этого припоя можно отнести низкую температуру плавления (217°С). Введение в его состав всего 0,5% сурьмы (Sb) дает возможность использовать этот припой для пайки волной.
  4. SnAgBi (Cu) (Ge) — при пайке создает на­дежные соединения. Температура плавления 200…210°С. Добавление меди (Cu) и/или германия (Ge) улучшает прочность паяного соединения, а также смачиваемость спаиваемых поверхностей припоем.
  5. SnZnBi — присутствие цинка (Zn) в этом при­пое приводит к малому времени хранения припойной пасты, необходимости использования активных флюсов, чрезмерному ошлакованию и оксидирова­нию, а также проблемам коррозии при сборке.

Для сборки устройств оборонной промышлен­ности, а также устройств, работающих без обслуживания, применяют припои SnAgCu, иногда с добавкой сурьмы (Sb). В изделиях для систем связи применяют SnAgCu или SnAg припои. Для устройств общего применения, таких как телеви­зоры, аудио-, видеотехника, офисное оборудова­ние, используют припои SnAgCu(Sb) и SnAg. Редко используют припои SnCu и SnAgBi.

В таблице приведены свойства и область при­менения некоторых припоев, которые можно приобрести на рынках СНГ и ЕС.

Ни один из среднетемпературных припоев, не содержащих свинец, не может заменить припой Sn63Pb37, у них температура плавления выше. Для поверхностного монтажа, при пайке оплавлением, чаще всего применяют припой Sn95,5Ag3,8Cu0,7.

ПрипойТемпература плавления припояОбласть применения припоя
Sn62Pb36Ag2179°CПайка SMD элементов методом оплавления.
Sn63Pb37183°CТрадиционный припой, используемый при производстве изделий электронной техники.
Sn60Pb40183…190°CПрипой, используемый при производстве электротехнических и электронных изделий.
Sn60Pb38Cu2183…190°CДля пайки соединений, обладающих повышенной надежностью при низких температурах.
Pb93Sn5Ag2296…300°CПрипой для ручной пайки, применяемый при производстве электротехнических изделий и изделий электронной техники, обладает хорошей растекаемостью и высокой температурой плавления.
Sn96,5Ag3,5220°CПрипой для соединений с высокой прочностью, используемый при производстве электронных изделий, в пищевой промышленности и медицине.
Sn96,5Ag3Cu0,5217°CБессвинцовый припой, с низкой температурой плавления, применяемый при производстве изделий электронной техники.
Sn99,3Cu0,7227°CПрипой, наиболее часто применяемый для замены оловянно-свинцовых припоев.
Sn99,3Cu0,7NiGe227°CПрипой, не содержащий свинца, для надежных соединений.
Sn96Ag3,5221°CПорошковый состав с активным флюсом для облуживания жал паяльников и удаления с них окислов.

При пайке предпочтение отдают эвтектическим припоям, у которых кристаллизация происходит в сравнительно небольшом диапазоне температур. Применение эвтектических припоев обеспечива­ет более высокую надежность паяных соединений, меньшее смещение элементов, в результате чего будет меньше процент «холодных» паек.

Припой на основе олова и серебра (SnAg) обладает лучшей смачиваемостью. Он обеспечи­вает лучшие прочностные характеристики паяных соединений. Этот припой, в основном, применя­ется при производстве специальной аппаратуры.

Припой на основе олова, серебра и висмута (SnAgBi (Cu) (Ge)) обладает наиболее низкой тем­пературой плавления и высокими прочностными характеристиками соединения.

Исследования, которые проведены производи­телями радиоэлектронной аппаратуры, свиде­тельствуют о том, что наиболее подходящей заме­ной припоев, содержащих свинец, являются припои группы SnAgCu (олово-серебро-медь), хотя некоторые производители склонны к приме­нению припоев группы SnAgBi (Cu) (Ge).

К недостаткам припоев группы SnCu (олово-медь) можно отнести высокую температуру плав­ления и низкую прочность паяного соединения.

При пайке припоями, не содержащими свинец, требуется более высокая температура, что может привести к повреждению интегральных схем, осо­бенно больших размеров, деформации и другим повреждениям печатных.

Наиболее удобным материалом для изготовле­ния печатных плат по бессвинцовым технологиям является FR-4, он имеет высокую температуру сте­клования. Этот параметр указывает на то, при ка­кой температуре материал становится мягким и печатная плата начинает деформироваться. FR-4 применяют при пайке в печах и волной, при тем­пературах 255…265°С. При автоматической уста­новке элементов на платы при бессвинцовой тех­нологии может нарушаться точность установки микросхем, особенно тех, которые имеют значи­тельные геометрические размеры. При этом необходимо учитывать, что некоторые типы инте­гральных схем, конденсаторов, элементов для со­единения не выдерживают температур, превы­шающих 230°С. Что касается технологии пайки методом оплавления, то необходимо выбрать бо­лее тщательно материалы печатных плат и компо­ненты, которые на нее устанавливаются.

В припоях, содержащих более двух компонен­тов, но не содержащих свинца, могут образовы­ваться интерметаллические соединения в зави­симости от скорости охлаждения, влияющие на прочностные характеристики паяного соедине­ния. Промышленностью выпускаются компонен­ты, на выводах которых применяют бессвинцовые покрытия и покрытия, содержащие свинец. При взаимодействии паяльных паст, выполненных из бессвинцовых припоев, и электрических компо­нентов, у которых на выводах присутствуют по­крытия на основе олово-свинец, возможно сме­шивание сплавов, которое может привести к образованию шариков из припоя, приводящих к образованию перемычек между выводами эле­ментов. Использование компонентов с большими геометрическими размерами потребует увели­чить либо температуру в зоне пайки, либо время пайки, что потребует выбирать более стойкие к воздействию температуры материалы для изгото­вления печатных плат.

Кое-что о ремонте устройств, выполненных по бессвинцовой технологии

При ремонте электронных устройств, выполнен­ных по бессвинцовой технологии, при выпаивании расположенных на них элементов, вследствие более высоких температур пайки, усиливается воздействие на печатную плату, что может привести к отслаива­нию дорожек печатных плат и контактных площадок, элементов, особенно в местах подхода проводящих дорожек к переходным отверстиям, короблению по­верхности печатных плат и расслоению плат.

При ручном монтаже и ремонте устройств с использованием бессвинцовых припоев, специа­листы рекомендуют не увеличивать температуру жала паяльника, а увеличивать время пайки.

При ремонте аппаратуры, выполненной по бес­свинцовой технологии, выпаивание компонентов устройств возможно с помощью фена паяльной станции, с контролем температуры воздуха, пода­ваемого в область пайки, а также с помощью нас­адок на фен для конкретного типа компонентов. При этом нагретый воздух подается только в зону выво­дов микросхемы. В домашних условиях при выпа­ивании компонентов в корпусах SO и SOP возмож­но продевание нити между корпусом микросхемы и выводами, с последующим нагревом выводов и отсоединении вывода компонента от печатной пла­ты, либо с помощью безопасного лезвия, вводимо­го между выводом компонента и печатной платой с прогревом паяльником или монтажным феном. При ремонте устройств с компонентами в корпусах типа DIP, в домашних условиях, и использовании пе­чатных плат с односторонним монтажом, возмож­но применение медицинских игл со сточенным кон­цом. Внутренний диаметр иглы должен немного превышать диаметр выводов компонента. Двухвы­водные SMD компоненты (резисторы, конденсато­ры и диоды) обычно выпаивают с помощью термопинцетов или специально изготовленных насадок на жала паяльника. В домашних условиях удобно использовать два паяльника.

Не следует пытаться «подковырнуть» элемент с помощью жала паяльника паяльных станций, так как можно повредить его покрытие. При этом долговеч­ность жала значительно снизится. В том случае, если необходимо сохранить только компонент устройства, а печатную плату сохранять не нужно, для выпайки можно применять нагреватели плат. Для удаления припоя с места пайки можно исполь­зовать вакуумные отсосы, паяльники с отсосом или впитывающую припой медную оплетку с флюсом, не требующим отмывки, ширина которой 1,5…2,7 мм.

Для обеспечения щадящего для печатной платы режима при ремонте, монтаже и демонтаже эле­ментов применяют нагреватели плат. С их помощью керамические подложки или многослойные печат­ные платы могут подогреваться до температуры 50…450°С. Размеры подогреваемых поверхностей в зависимости от модели подогревателя могут со­ставлять от 50×80 мм до 190×245 мм. Они имеют встроенные узлы контроля температуры и обеспе­чивают электростатическую защиту.

При ручной пайке с использованием бессвинцо­вых припоев очень важно состояние жала паяльни­ка и время нагрева места пайки. При бессвинцовой технологии пайки припои содержат олово в больших количествах, что приводит к более интенсивному разрушению покрытия жала, к частым его заменам. На покрытие жала паяльника или паяльной станции влияют более активные флюсы и повышенная тем­пература пайки, которая может достигать 343°С.

Для пайки элементов выпускаются флюсы на основе неактивированной или активированной канифоли, остатки которой, при необходимости, можно удалять уайтспиритом. Существует также индикаторный флюс-гель, в состав которого вхо­дит индикатор активности. После монтажа флюс обесцвечивается, что показывает, что активные со­ставляющие флюса в месте пайки отсутствуют.

Для лужения жал при пайке бессвинцовыми припоями существуют специальные составы на основе SnAg, называемые активаторами жал. В ак­тиватор погружают нагретое жало с последующей обтиркой и покрытием припоем, который исполь­зуется.

Для пайки припоями, не содержащими свинец, применяют специально разработанные жала, кото­рые имеют до 5-7 слоев различных металлов. Те­ло жала выполнено из электролитической меди, внешний слой — хром, затем следует слой никеля, слой железа. Рабочая поверхность жала в заводских условиях покрывается оловом. Медное жало полое. Внутри оно покрыто слоем никеля. В паяльниках паяльных станций датчик температуры располага­ется на конце нагревательного элемента, вводимо­го в полость жала как можно ближе к месту пайки.

Читать еще:  СП 952-72 Санитарные правила организации процессов пайки мелких изделий сплавами, содержащими свинец

В домашних условиях для залуживания жала необходимо очистить его от припоя, не используя напильники, надфиля и методы, которые могут повредить покрытие медного жала другими метал­лами. До полного нагрева жала его частично по­крывают канифолью. В кристаллическую канифоль помещают небольшое количество припоя. Под слоем канифоли залуживают расплавленным при­поем жало паяльника.

При определении «на глаз», по какой технологии выполнен монтаж того или иного устройства, нужно помнить, что при монтаже бессвинцовыми припоями паяное соединение имеет матовую поверхность и более выраженную кристаллическую структуру.

Автор: Александр Артюшенко, г. Киев

Выбор правильного припоя: руководство для любителей и профессионалов

Анализ энергосистемы

Выбор правильного припоя для пайки электроники может быть немного сложным для многих новичков и довольно запутанным даже для опытных ветеранов. Моя цель на этой странице — дать некоторую ясность для вас, любителя, чтобы вы могли правильно припой купить .

В электронике используются две всеобъемлющие группы припоев: свинцовый и бессвинцовый, причем последний сегодня доминирует в производстве электроники из-за экологических проблем, связанных с утилизацией электронных изделий.

Бессвинцовый припой не имеет лучшей репутации, отчасти из-за технических проблем с процессом пайки. Большинство бессвинцовых припоев плавятся при более высокой температуре (около 220-250 ºC), чем оловянно-свинцовый припой (около 180-190 ºC). Таким образом, для перехода на бессвинцовый припой потребуется изменение температуры наконечника паяльника. Типичная температура наконечника для пайки с использованием свинца составляет 320-370 ° C. Для свинца температура должна быть увеличена до 370-425 ºC. В дополнение к более высокой температуре наконечника необходимо увеличить время выдержки. Паяное соединение может быть запаяно припоем на основе свинца менее чем за секунду. Используя бессвинцовый припой, это время необходимо увеличить, чтобы избежать холодных паяных соединений. Припой оловянно свинцовый можно купить в ТД Скала.

ТД Скала предоставляет действительно уникальные условия. Взаимовыгодное сотрудничество с кабельными заводами позволяет нам:

  • Оперативно поставлять любую продукцию. Даже в случае нехватки какого-либо товара на рынке, мы можем гарантировать ускоренное выполнение заказа
  • При крупных заказах цены на нашу продукцию могут оказаться ниже цен заводов производителей.
  • Если возникла экстренная необходимость в муфтах при аварии мы всегда придумаем чем заменить недостающие материалы.

Оловянно свинцовый припой

Опасность для здоровья: свинцовый припой содержит свинец. При попадании в организм свинец накапливается в жировых тканях организма, включая миелиновую оболочку, окружающую нервные волокна мозга. Это может привести к повреждению мозга, особенно у младенцев и маленьких детей. В основном это проблема литья свинца, когда свинец нагревается почти до точки кипения. Температуры, используемые при пайке, намного ниже. Основной риск воздействия свинца связан со свинцом, который стирается с припоя на пальцы. Пожалуйста, убедитесь, что вы не едите и не пьете во время пайки. Тщательно мойте руки, когда закончите пайку.

Для электронной пайки обычно используются три сплава на основе свинца:

60/40 (Sn / Pb). Основным преимуществом припоя 60/40 является стоимость, поэтому большинство старого оборудования было собрано с использованием этого типа припоя. Основным недостатком этого сплава является то, что он имеет пластическую область 5 ºC. Припой 60/40 становится пластичным (податливым, но не совсем расплавленным) при 183 ºC и плавится при 188 ºC. Припой проходит через ту же пластиковую область, что и остывает, и, если соединение нарушается или перемещается при переходе припоя через пластичную область, образуется холодное паяное соединение. Это может сделать ручную пайку разочаровывающим опытом, особенно для начинающих. Пока паяное соединение остается неподвижным до тех пор, пока припой полностью не затвердеет, пластичная область не имеет практических последствий для паяных соединений.

63/37 (Sn / Pb). Припой 63/37 — это эвтектический сплав, что означает, что он напрямую переходит из твердого состояния в жидкое без пластичности. Припой 63/37 плавится при 183 ºC. Этот тип припоя немного дороже, чем 60/40, но отсутствие пластичной области делает его более удобным для работы и более удобным для начинающих. Соединения, сделанные с этим припоем, будут выглядеть более блестящими, чем соединения, сделанные с припоем 60/40. Это чисто косметический эффект.

62/36/2 (Sn / Pb / Ag). 62/36/2 «серебряный» припой набирает популярность в аудиокружках — возможно потому, что он дороже и содержит серебро. Для пайки на медных проводах и платах нет никаких доказательств того, что «серебряный» припой должен превосходить обычный припой 60/40 или 63/37. Однако, если вы проводите пайку к серебряной проволоке, включая некоторые слюдяные колпачки и радиочастотные кабели серебро-на-стали, вы можете использовать «серебряный» припой. Это потому, что обычный припой Sn / Pb со временем растворяет серебро. Припой 62/36/2 предотвращает это.

С точки зрения проводимости, три типа находятся в пределах нескольких процентов друг от друга. Прочность на растяжение припоя 62/36/2 примерно в два раза выше, чем 60/40, но зависит это от механически более прочных паяных соединений и от геометрии соединения.

Бессвинцовый припой

Разработка бессвинцового припоя была проблемой, и некоторые из лучших сплавов доступны только в виде паяльной пасты. Первым введенным бессвинцовым сплавом был SAC305 (96,5 / 3 / 0,5 — Sn / Ag / Cu). Соединения, изготовленные из этого сплава, имеют тусклый и зернистый внешний вид, поэтому их невозможно отличить от холодных (поврежденных) паяных соединений, изготовленных из припоя 60/40. Я предлагаю отказаться от этого сплава.

Два более удобных для пользователя сплава, не содержащих свинец:

AIM Sn100C . Этот сплав почти на 100% олово. Он содержит 0,7% меди, 0,05% никеля, ≤0,01% германия. Остальные ок. 99,25% составляет олово. Это эвтектический сплав с температурой плавления 227 ºC. Поскольку этот припой является единственной в городе игрой для бессвинцовой проволочной пайки, он довольно дорогой, вдвое дороже свинцовой пайки 63/37.

95/5 (Sn / Ag). Характеристики припоя 95/5 очень похожи на содержание свинцового припоя 60/40, что очень привлекательно. Этот сплав имеет довольно большую пластическую область. Он входит в пластичность при 221 ºC и плавится при 254 ºC. Это не так полезно для любителя, как он доступен только в виде пасты.

Не рекомендуется смешивать свинцовый и бессвинцовый припой. Таким образом, убедитесь, что паяльные наконечники используются только для свинцового или бессвинцового припоя. Наконечник с луженым припоем можно использовать для бессвинцовой пайки после 4-5 циклов очистки / повторного лужения, однако настоятельно рекомендуется выбрать один тип припоя для наконечника и придерживаться его. В некоторых научно-исследовательских лабораториях предусмотрена отдельная паяльная станция для бессвинцовой пайки, чтобы избежать перекрестного загрязнения.

В общем случае припой не следует смешивать. Сохранение химического состава припоя гарантирует, что только сплавы, которые изготовитель припоя намеревался сформировать, действительно образуются, когда припой охлаждается.

Диаметр припоя

Выбор диаметра паяльной проволоки, который подходит для поставленной задачи, может оказать существенную помощь при пайке. Припой малого диаметра значительно облегчает нанесение небольшого количества припоя. Это очень удобно для пайки компонентов поверхностного монтажа. Для более крупных компонентов, использование припоя малого диаметра требует значительной длины припоя, который должен подаваться на соединение, что увеличивает
время пайки и риск перегрева компонентов.

Для работы с устройствами поверхностного монтажа я предпочитаю припой диаметром 0,5 мм. Для большинства работ по электронике хорошо подойдет припой диаметром от 0,4 до 1,0 мм. Если вы выполняете много работы на устройствах поверхностного монтажа, стремитесь к нижней границе этого диапазона.

Срок годности

Да. В самом деле! Припой имеет срок годности. Для сплавов, упомянутых выше, рекомендуется использовать паяльную проволоку в течение трех лет с момента изготовления. Тем не менее, я только сейчас заканчиваю рулон 0,7 мм 60/40 RMA флюсового припоя, который я начал в конце 1980-х, и паяные соединения, которые я делаю сегодня, работают так же хорошо, как и раньше.

Однако соблюдайте срок годности пасты для пайки. Паяльная паста состоит из мелких шариков припоя во флюсе. Со временем флюс будет окисляться, делая его неэффективным. В результате припой не будет течь правильно, и становится очень трудно получить хорошее паяное соединение. Срок годности паяльной пасты составляет около шести месяцев. При охлаждении паяльной пасты срок годности может быть увеличен до года. Само собой разумеется, но, пожалуйста, не храните припой в холодильнике, который вы используете для еды!

Виды флюсов

Целью флюса является очистка паяного соединения при нанесении припоя, что позволяет течь припою, что приводит к хорошему и свободному от пустот паяному соединению. Флюс также изменяет поверхностное натяжение, что увеличивает адгезию припоя к металлу в паяном соединении. Припой, используемый для электроники, имеет встроенный в него флюс, и струйка дыма, который выделяется в процессе пайки, вызвана испарением флюса. Длительное воздействие дымовых газов опасно для здоровья. Риск для здоровья, вероятно, меньше для любителя, выполняющего пайку время от времени. Тем не менее, рекомендуется установить небольшой вентилятор для отвода паров флюса от рабочей зоны во время пайки.

Существует три различных типа флюса для пайки электроники. Основным отличием является сложность удаления флюса.

Водорастворимый. Основным преимуществом водорастворимого флюса является то, что его относительно легко удалить. Промойте контур под теплой проточной водой и при необходимости перемешайте мягкой щетиной. Также можно использовать ультразвуковой очиститель. Выполните промывку в деионизированной (DI) или паровой дистиллированной воде. Основным недостатком этого типа потока является то, что он должен быть удален.

На основе канифоли. Традиционно флюс, используемый в электронике, основан на сосновой канифоли. Он доступен в трех вариантах: неактивированный (R), слабо активированный (RMA) и активированный (RA), причем последний является наиболее кислым из трех. Остатки от флюса на основе канифоли являются слегка коррозийными и должны быть удалены после пайки. Флюс на основе канифоли может быть удален изопропиловым или изопропанольным спиртом с последующим промыванием в деионизированной воде.

Неочищаемый флюс. Как видно из названия, неочищаемый флюс составлен так, что очистка не требуется. Некоторые утверждают, что, хотя неочищаемый флюс не требует очистки, флюс следует удалить в любом случае. К сожалению, неочищенный флюс очень трудно удалить, что требует использования чистящих флюсов, содержащих ацетон, гексан и другие агрессивные растворители.

Флюсовые очистители

Проблема с остатком флюса в том, что он гидрофильный, то есть притягивает воду. Это означает, что любые остатки флюса на печатной плате будут вызывать значительные токи утечки во влажный день. У вас может быть схема, которая хорошо работает в сухом климате, но не работает в прибрежном климате. Сочетание воды и остатков флюса также вызывает коррозию и может привести к выходу из строя ваших цепей со временем. Как отмечено выше, исключения представляют собой остатки, оставленные неочищаемым флюсом, которые не являются коррозийными, и остатки от канифолевого флюса, которые являются лишь очень мягкими коррозионными, что позволяет пропустить этап очистки.

Удалители флюса бывают различной степени агрессивности — от легких до тяжелых. Удалители флюса для легких режимов работы обычно состоят из изопропила или изопропанола, в то время как для удаления флюсов в сверхмощном режиме используются ацетон, гексан и другие довольно неприятные растворители. Эти чистящие средства чрезвычайно огнеопасны и должны использоваться только в хорошо проветриваемых помещениях. В дополнение к личной безопасности обратите внимание, что некоторые средства для удаления флюсов растворяют пластмассы, поэтому будьте осторожны.

Бессвинцовые технологии

Мы обеспечиваем соответствие нашей продукции требованиям RoHS (в случае, если это необходимо заказчику).

Печатные платы, поставляемые нашей компанией, пригодны для монтажа как свинцовых, так и бессвинцовых компонентов.

Монтаж, выполняемый на нашей линии SMT-монтажа и паяльных станциях, может быть выполнен (при необходимости) с использованием бессвинцовых паяльных паст и припоев.

Заказчик, применяющий бессвинцовые компоненты или бессвинцовые режимы пайки, должен при размещении заказа сообщить нам об этом, чтобы мы могли выбрать соответствующие материалы и покрытия для печатных плат, а также подобрать соответствующую паяльную пасту и режимы монтажа.

Что такое RoHS
В августе 2004 г. Парламент ЕС принял закон о запрете применения опасных для здоровья веществ — RoHS (Restriction of Hazardous Substances). Закон устанавливает, что начиная с 2006 г. все электронные компоненты и оборудование, поставляемые в Европу, не должны содержать свинец, ртуть, кадмий и шестивалентный хром. Эти требования в дальнейшем приняла Япония и в некоторой степени Америка. На Россию и страны СНГ требования RoHS не распространяются, однако мы поставлены перед фактом, что с 2006 г. нам поставляются как свинцовые, так и бессвинцовые компоненты.

Чем грозит бессвинцовость печатным платам?
В случае, если ваша продукция поставляется за рубеж, вам необходимо предоставить покупателям гарантии соответствия требованиям RoHS, то есть гарантировать отсутствие свинца и других вредных веществ.
Если же вы не поставляете печатные узлы за пределы России, вас не должно волновать наличие свинца в устройстве. Можно выбирать любое покрытие площадок, в том числе и HASL, и иммерсионное золото. Однако следует обратить внимание на выбор правильной технологии монтажа, а также на выбор правильного диэлектрика печатной платы в соответствии с этой технологией.

Технология монтажа
Основной повод для беспокойство — это выбор правильной технологии монтажа компонентов исходя из вашей комплектации. В частности, бессвинцовые BGA-компоненты нельзя паять по «свинцовой» технологии — шарики не расплавятся, а свинцовые BGA нельзя паять при бессвинцовой температуре, т.к. вы рискуете их повредить.

Выбор диэлектрика для печатной платы
Надо иметь в виду, что обычный FR4 не годится для печатных плат, которые монтируются по бессвинцовой технологии. Особенно если это многослойные печатные платы. Длительность высокотемпературного воздействия при бессвинцовой пайке существенно выше, что приводит к существенному повреждению печатной платы, особенно переходных отверстий и отверстий для монтажа компонентов. Надежность и долговечность платы, подвергнутой такому воздействию, снижается во много раз. Рекомендуем для таких плат выбирать материал типа FR4 High Tg, с температурой стеклования Tg >=170ºC.

Поставки за рубеж
В случае поставок за рубеж и необходимости соблюдения требований RoHS вы не только должны заказать RoHS-совместимое покрытие печатных плат, но и запросить соответствующий сертификат от производителя плат. В этом документе поставщик декларирует, что поставляемые им печатные платы соответствуют требованиям RoHS.

Свинцовая и бессвинцовая технология монтажа — в чем разница?
Следует иметь в виду, что технология пайки бессвинцовых компонентов отличается от свинцовой пайки. Примерно на 20 градусов выше температура пайки, другой состав припоя и флюса, другие условия хранения и предварительной сушки компонентов. Некоторые старые свинцовые компоненты такую температуру могут не выдержать, причем деградация может иметь «отложенной» во времени. Монтаж же смешанной комплектации вообще является не вполне корректной технологической процедурой. Особенно если в комплектации имеются BGA-компоненты. Мы не рекомендуем применять смешанную комплектацию для поверхностного монтажа. Если же это неизбежно, постарайтесь расположить на одной стороне печатной платы все свинцовые компоненты, а на другой — все бессвинцовые.

Свинец-содержащие и бессвинцовые компоненты
В разных странах, производящих электронные компоненты, подобные законы не идентичны. Кроме того, не согласованы системы обозначения бессвинцовых компонентов, каждая производящая компания разрабатывает собственный график перевода продукции на бессвинцовую технологию. Поэтому любой российский производитель электроники может попасть в ситуацию, когда он не знает, какую в действительности комплектацию получит для монтажа — старую свинец-содержащую, новую бессвинцовую или смешанную. Даже если в спецификации, переданной в отдел закупки, указаны строго определенные типы компонентов, обязательно нужно проверить маркировку поступающих на склад компонентов на соответствие вашим требованиям по бессвинцовости.

Читать еще:  Пайка алюминия в домашних условиях – чем и как паять, флюсы, припои

Где брать информацию?
Ведущие фирмы, производящие электронные компоненты, размещают на своих сайтах достаточно подробную информацию, касающуюся этого вопроса. Как правило, такой раздел называется «RoHS» или «Lead-free». Рекомендуем вам при выборе комплектующих определенного производителя обязательно ознакомиться с этим разделом.

Предотвращение дефектов при пайке бессвинцовыми припоями

Сплав Sn/Ag/Cu (олово/серебро/медь, или иначе SAC-сплав) наиболее часто используют в качестве бессвинцового припоя, хотя возможно применение и других сплавов, содержащих, например, висмут, индий и другие элементы. При переходе к припоям на основе SAC-сплавов наблюдается увеличение числа дефектов пайки. Это результат неправильного выбора параметров процесса пайки. При правильно выбранных параметрах и надлежащем контроле процесса пайки число дефектов практически соизмеримо.

Оловянно-свинцовые и бессвинцовые припои имеют следующие основные отличия:
• различны температуры плавления припоев, поверхностное натяжение, способность к окислению и выщелачиванию
• в бессвинцовых припоях выше температурный профиль пайки
• для бессвинцовых припоев необходимо бессвинцовое покрытие выводов компонента и площадок платы
• различны скорости смачивания и растекания припоя
• при использовании бессвинцовых припоев снижена способность к выравниванию положения компонентов.
Температура плавления SAC-сплавов составляет 217-220 °С, что более чем на 30 °С выше, чем оловянно-свинцовых сплавов. Поэтому при пайке следует обеспечить их нагрев до 235-245 °С. При пайке печатных плат с компонентами, имеющими примерно одинаковую теплоемкость, температура пайки может быть снижена до 229 °С.
Для пайки бессвинцовыми припоями необходимо применять флюсы, специально разработанные для использования при более высоких температурах.
Флюс занимает примерно половину объема паяльной пасты и определяет ее реологические свойства, осадку, клейкость и др.
Основным назначением флюса является предохранение спаиваемых поверхностей от окисления при действии высокой температуры пайки. Флюс улучшает смачивание их припоем, способствуя растеканию его по площадкам платы и выводам компонентов. После пайки остатки флюса удаляют, смывая их, либо оставляют на плате, если использовалась паста, не требующая очистки.

Основные составляющие флюса:
• канифоль
• активаторы, органические кислоты и/или гидрогалоиды
• растворители
• гелеобразующие вещества
• поверхностно-активные вещества
• хелатные добавки.

Оптимизация состава флюса, пригодного для применения при более высоких температурах пайки, необходимых для бессвинцовых припоев, является основной задачей производителей паяльных паст. Основные составляющие флюса представляют собой органические соединения, которые должны сохранять стабильность при температуре около 245 °С, чтобы предотвратить появление проблем при пайке.

Наиболее часто встречающиеся дефекты пайки:
• образование мостиков припоя между площадками
• образование шариков припоя между площадками
• недостаточная смачиваемость спаиваемых поверхностей
• образование пустот в паяном соединении
• отрыв вывода компонента от площадки (эффект «надгробия»)
• отсутствие смачивания.

Образование мостиков и шариков припоя
Эти дефекты возникают при неправильном выборе параметров пайки. При повышенной температуре в зоне предварительного нагрева следует выбирать пасту с малой осадкой. Особенно важно учитывать это при пайке компонентов с малым шагом выводов. Обычные пасты на основе оловянно-свинцовых сплавов при высокой температуре (около 185 °С) начинают плавиться и растекаться из-за разложения их гелеобразующих компонентов. На рис. 1 показано «поведение» паст, имеющих различную осадку. Как видно из рисунка, паста «В» имеет меньшую осадку, чем паста «А», а, следовательно, меньшую вероятность образования мостиков и шариков припоя.

Рис. 1. Два образца паяльных паст, оплавленных при температуре 180 °С

Недостаточная смачиваемость выводов компонентов и площадок платы
При испытании на паяемость было замечено, что смачивающая способность SAC-припоев улучшается с использованием водосмываемых флюсов. Флюсы, не требующие отмывки, содержат меньше активаторов и не содержат галоидов, вследствие чего способность смачивания снижается.
После воздействия нескольких температурных циклов пайки на площадки печатных плат, защищенные лишь органическими покрытиями (т. наз., OSP-плат), число случаев неполного их смачивания припоем возрастает. Покрытие площадок оловом или иммерсионным серебром способствует лучшему растеканию припоя. Хорошо паяется также покрытие Ni/Au при отсутствии в нем окислов. На рис. 2 показаны примеры пайки SAC-припоями выводов микросхем на площадки из чистой меди и площадки, покрытые иммерсионным серебром.

Рис. 2. Пайка выводов корпусов QFP с применением SAC-сплавов на площадки из чистой меди (а) и площадки, покрытые иммерсионным серебром (б)

Плохая паяемость, недостаточная смачиваемость, плохая растекаемость припоя и большие углы контакта между площадками и выводами могут также явиться следствием неправильно выбранного профиля пайки. Очень важно достичь равномерного распределения температуры по всей площади платы, так как допустимый интервал пиковых температур бессвинцовых припоев более узок, чем оловянно-свинцовых. Корпуса BGA во время пайки ведут себя как теплоотводы, из-за чего паста под ними может не расплавиться полностью, в то время как более мелкие компоненты могут быть припаяны достаточно хорошо. Поэтому необходимо правильно определить профиль пайки, а после ее выполнения проконтролировать качество соединений с использованием рентгеновских или оптических методов.
На рис. 3 показаны выводы корпуса BGA, не припаянные к плате из-за недостаточного нагрева. Для определения причины этого дефекта необходимо измерить температуру непосредственно в местах контакта этих выводов с площадкой, как показано на рис. 4.
На рис. 5 показан результат пайки выводов при слишком высокой температуре (более 265 °С), а на рис. 6 – при параметрах пайки, близких к оптимальным.

Рис. 3. Дефект пайки, вызванный недостаточным нагревом

Рис. 4. Измерение температуры выводов корпуса BGA на контрольной печатной плате для определения требуемого профиля пайки

Рис. 5. Результат чрезмерного нагрева вывода

Рис. 6. Пайка с профилем, близким к оптимальному

Основные причины ухудшения смачивающих свойств бессвинцовых припоев:
• малая активность флюса паяльной пасты
• слишком высокая температура в зоне прогрева или большая продолжительность ее воздействия
• малая длительность нагрева места пайки выше температуры плавления припоя
• наличие окислов на спаиваемых поверхностях.

Активность бессвинцовых паст должна сохраняться вплоть до температуры плавления SAC-сплавов (217 °С). Содержащийся в пасте флюс должен эффективно предохранять плату и компоненты от окисления. Способность SAC-сплавов смачивать металлические поверхности относительно невелика, поэтому для лучшего растекания припоя во время пайки необходимо, чтобы время воздействия температур, превышающих температуру плавления, было достаточным. Обычно это время составляет 60-90 с при температуре пайки 235-245 °С.
Наличие окислов на плате можно обнаружить, проведя один из тестов на паяемость, например, выполнение баланса смачивания.

Пустоты в бессвинцовых соединениях и выводах BGA
При наличии большого числа пустот в паяном соединении снижается его надежность, что наиболее часто проявляется при эксплуатации изделий в условиях большого перепада температур, вибраций либо воздействия изгибающих усилий. Пустоты являются также причиной ухудшения тепло- и электропроводности соединений (рис. 7).
Если суммарный объем пустот не превышает 25% объема соединения, их влияние на надежность незначительно. Они могут даже играть роль амортизаторов механических нагрузок.

Рис. 7. Пустоты, возникшие при пайке выводов корпусов QFP (a) и BGA (б)

Появление пустот могут вызывать следующие факторы:
• состав паяльной пасты
• поверхностное натяжение припоя
• профиль пайки
• наличие окислов на спаиваемых поверхностях
• форма выводов компонентов и паяного соединения
• состав покрытия площадок платы и выводов компонентов
• выделение газа из корпуса компонента во время пайки.

Поверхностное натяжение бессвинцовых припоев выше, чем оловянно-свинцовых. Поэтому необходимо выбирать пасту такого состава, чтобы содержащийся в ней флюс не терял активности при высоких температурах пайки. Для уменьшения числа пустот в первую очередь следует выбирать пасту, не содержащую канифоли, а также активаторов, разлагающихся при воздействии повышенных температур.
Удалению пузырьков газа из припоя способствует также оптимизация профиля пайки, заключающаяся в увеличении продолжительности пребывания паяного соединения в зоне прогрева, а также в зоне температур, превышающих температуру плавления припоя. Необходимо также следить за тем, чтобы плата и компоненты были свободны от влаги и загрязнений. Замечено, что на OSP-платах образуется несколько больше пустот, чем на платах, покрытых сплавом Ni/Au или иммерсионным серебром.
В некоторых случаях на количество пустот влияет и форма паяного соединения. Если размеры и форма компонентов препятствуют выходу пузырьков газа, число пустот увеличивается.

Подъем одного из выводов компонента над платой (эффект «надгробия»)
При пайке малогабаритных компонентов бессвинцовыми припоями возрастает число случаев подъема над платой одного из выводов компонента (эффект «надгробия»). Это объясняется, в частности, меньшей смачивающей способностью этих припоев. Поэтому необходимо позиционировать компоненты на плате с достаточно высокой точностью, так как выравнивающий эффект в бессвинцовых пастах выражен слабее. Припой SAC305 обеспечивает меньшую вероятность образования «надгробия». Его состав: 96.5% олова, 3% серебра и 0.5% меди, температура плавления 217-220 °С. Во время начальной фазы плавления этот припой удерживает компоненты, как бы приклеивая их к плате, в результате чего число «надгробий» уменьшается.
Применение паяльной пасты с повышенным газовыделением в начальной фазе плавления припоя также может быть причиной образования «надгробий».

Отсутствие смачивания
Основная причина отсутствия смачивания – малая активность флюса. В начальной стадии пайки расплавленный припой покрывает всю площадку. Однако, если из-за малой активности флюса образование интерметаллического соединения невозможно, силы сцепления между припоем и площадкой малы, в результате чего из-за поверхностного натяжения припой собирается в каплю.
С использованием водосмываемых паст отсутствие смачивания проявляется достаточно редко благодаря тому, что активность их флюса весьма высока. В менее активных пастах серии ROLO, а также в не требующих отмывки пастах, не содержащих галогенидов, отсутствие смачивания проявляется при пайке площадок, покрытых органическими соединениями или сплавом Ni/Au при наличии на нем окислов никеля или загрязнений. На рис. 8 приведены фотографии площадок с оплавленной пастой; на рис. 8, а явно видно отсутствие смачивания.

Рис. 8. Примеры различного смачивания площадок бессвинцовым припоем: отсутствие смачивания (а) и удовлетворительное смачивание (б)

Для обеспечения смачивания необходимо:
• предохранять спаиваемые поверхности от окисления
• выбирать флюс, соответствующий спаиваемым металлам
• уменьшать температуру и продолжительность прогрева для сохранения активности флюса.

Внешний вид бессвинцовых соединений
Поверхность бессвинцовых соединений более матовая, чем оловянно-свинцовых, а галтель из-за меньшей текучести бессвинцовых сплавов имеет другую форму (рис. 9). Это не должно рассматриваться как дефект пайки.

Рис. 9. Вид соединений после пайки в воздушной среде оловянно-свинцовым (а) и бессвинцовым (б) припоем

После оплавления в воздушной среде SAC-припои имеют более темный вид. На их поверхности образуется сеть мелких трещин, возникающих вследствие образования интерметаллических соединений, а также окисления. В азотной среде образуется более блестящее соединение с хорошим растеканием по спаиваемым поверхностям.
Уменьшение продолжительности воздействия температур, превышающих температуру плавления припоя, замедляет рост интерметаллических соединений, в результате соединение приобретает более светлый вид.
В заключение можно отметить, что переход к применению бессвинцовых припоев требует определенного времени, необходимого для получения навыков обращения с ними как при пайке, так и оценке качества паяных соединений.

бессвинцовая пайка

Бессвинцовая пайка представляет собой припой, который не содержит в своем составе свинца. Данный метод получил свое распространение в ходе удаления свинца из процесса производства для минимизации экологических угроз и вреда здоровью человека, а также для повышения качества охраны труда.

Существуют различные бессвинцовые припои. Одним из наиболее простых и распространенных способов является осуществление пайки с использованием олова. При реализации такого метода производитель получает хорошее смачивание и наиболее высокую электропроводность, однако при этих достоинствах применение пайки с использованием только олова зачастую невозможно из-за возможности появления “усов” при термоциклированиях и образования трещин. Для предотвращения этих угроз производители могут использовать добавление других металлов.

Одним из наиболее распространенных в создании электроники является сплав олово-серебро-медь, в котором наибольшую долю занимает олово (более 90%).

Также для замены свинца используют другие металлы, такие как медь, серебро, висмут, цинк, золото и другие.

Применение того или иного типа припоя во многом зависит от направленности электроники. Например, для военных заказов и оборонной промышленности используется пайка олово-серебро-медь, которая на данный момент зарекомендовала себя как наиболее прочная и долговечная. При изготовлении устройств промышленности также рекомендуется использование припоя олово-серебро-медь, однако допускается и применение двухкомпонентного припоя олово-серебро. В отраслях, конечные продукты которых используются широким кругом лиц, допускается применение различных припоев. Вдобавок на выбор пайки оказывает влияние и стоимость некоторых компонентов: такой, как, например, висмут, сильно повышает стоимость конечного изделия.

Так или иначе, бессвинцовые припои имеют худшую смачиваемость по сравнению со свинцовосодержащими, а также такие виды припоев требуют более высокую температуру пайки, что, в свою очередь, требует выдержки более узкой границы термопрофиля. Оборудование должно контролировать температуру на протяжении всего процесса производства в режиме реального времени. Ни один из видов бессвинцовой пайки не является заменой для олово-свинцовой на данный момент, однако для предотвращения загрязнения окружающей среды производятся многочисленные исследования в данной области.

Связанные термины

  • резист Англ. resist

Покрытие, диэлектрическое или металлическое, используемое в качестве защиты при выполнении последующих операций травления.

  • полуаддитивный процесс изготовления печатной платы Англ. semi-additive process

Процесс изготовления проводящего рисунка печатной платы и металлизации сквозных отверстий предварительным химическим осаждением проводникового материала на диэлектрическое основание, электрохимическим осаждением на необходимых участках и последующим травлением проводникового материала с непроводящего рисунка печатной платы.

  • технологическое поле заготовки печатной платы Англ. technological margin of panel

Технически обоснованная часть заготовки печатной платы, не занятая проводящим рисунком печатной платы и предназначенная для контактирования, расположения базовых отверстий, улучшения расположения базовых отверстий, улучшения распределения тока при гальваническом осаждении, разделения групповой заготовки печатной платы на отдельные печатные платы на конечной стадии обработки, расположения тест-купонов и элементов, необходимых для контроля и обеспечения технологического процесса изготовления печатной платы. Примечание — Технологическое поле располагается по периметру заготовки печатной платы и между отдельными печатными платами на групповой заготовке.

Бессвинцовые припои

Состав, свойства и особенности припоев без свинца

Ликвидируем безграмотность в таком вопросе, как бессвинцовые припои.

Припои, в составе которых присутствует свинец, называют свинцовыми или свинцовосодержащими.

Стоит отметить тот факт, что соединения свинца вредны для здоровья. В том числе и по этому, в последнее время всё активнее применяются не содержащие свинец припои.

В Европе и США с недавних времён, а точнее с июля 2006 года директивой RoHS принят запрет на использование свинец-содержащих припоев в производстве электроники. Под раздачу также попали такие химические элементы, как кадмий, ртуть, шестивалентный хром и некоторые другие. Их содержание в электронных компонентах строго нормировано.

Наверняка Вы уже наблюдали вот такой логотип на корпусе своего ноутбука или другого электронного устройства (см. фото). Он обозначает, что устройство собрано с применением бессвинцовой технологии.


Эмблема RoHS на корпусе нетбука

Не считайте, что применение бессвинцовых технологий чем-то улучшает потребительские качества электроники. Возможно это и так. Японцы, например, давно занимаются разработкой и внедрением бессвинцовых технологий в производство и, естественно, добились в этом успехов.

Но для тех производителей, которые впервые столкнулись с ограничениями на применение свинца, возникает вопрос переоснащения производства и, как следствие, это удорожает электронную продукцию.

Читать еще:  Пайка твердыми и мягкими припоями

Стоит отметить тот факт, что бессвинцовая технология пайки требует применения соответствующих радиоэлектронных компонентов, адаптированных для пайки припоями без свинца. По сравнению с обычными свинцовыми припоями, они имеют пониженные характеристики по смачиваемости и текучести, требуют соблюдения дополнительных технологических мер при пайке, так как возникает необходимость в выдержке узкой границы термопрофиля.

Известно, что оптимальной температурой при пайке свинец-содержащими припоями считается температура 180 – 230 0 C. Температура плавления большинства бессвинцовых припоев лежит в интервале 200 – 250 0 C. Есть и такие, температура плавления которых ниже 180 0 С.

Припои, не содержащие свинца, дороже обычного свинцово-оловянного. Также вызывает много споров качество пайки бессвинцовыми припоями.

Итак, перейдём ближе к теории.

Для замены свинца в припое применяются такие металлы, как медь (Cu), серебро (Ag), висмут (Bi), индий (In), цинк (Zn) и даже золото (Au).

В изготовлении электроники хорошо зарекомендовал себя трёхкомпонентный сплав олова, серебра и меди (SnAgCu). Процентное соотношение металлов в сплаве может быть разным – до сих пор нет строгого мнения по этому вопросу. Несмотря на это, большую часть в сплаве занимает олово (95-97%). Температура расплавления данного сплава составляет 217-221 0 C. Чтобы он был пригоден для пайки волной, в него вводят небольшой процент сурьмы (0,5%).

Сплав SnAgCu с добавлением сурьмы (Sb) применяется в изготовлении особо ответственных узлов в оборонной технике и автономных устройствах.

СплавТемпература плавления, 0 C
Sn96,5/Ag3/Cu0,5221
Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7217
Sn96,7/Ag2/Cu0,8/Sb0,5216 — 222

Хорошими качествами обладают припои, в которых роль свинца выполняет серебро (SnAg).

СплавТемпература плавления, 0 C
Sn96,5/Ag3,5221
Sn98/Ag2221 — 226

Наличие в сплаве серебра улучшает механические свойства пайки. Тестами доказано, что припои, содержащие серебро, делают пайку более прочной, чем аналогичные свинцовосодержащие. Кроме того, серебро обладает хорошей проводимостью. Нередко такие сплавы применяются в профессиональной промышленной электронике и системах связи, где механическая надёжность и качество соединения очень важно.

В сплаве Sn42Bi58 вместо свинца используется висмут (его содержание — 58%). За счёт висмута улучшается легкоплавкость (температура плавления 133-140 0 C), но ухудшается смачиваемость.

Используется в плавких предохранителях, а также при ступенчатой пайке и монтаже деталей и компонентов, чувствительных к высокой температуре.

Припои с содержанием висмута (Bi), индия (In), цинка (Zn) и серебра (Ag).

СплавТемпература плавления, 0 C
Sn93,5/Ag3,5/Bi3206 — 213
Sn90,5/Ag2/Bi7,5207 — 212
Sn89/Bi3/Zn8189 — 199
Sn70/Bi20/In10143 — 193
Bi67/In33107 — 112

Припои с содержанием висмута и индия обладают высокой стоимостью. На поставки этих металлов есть ограничения. Также их не рекомендуют применять в приборах с высокой температурой эксплуатации.

Высокотемпературные припои на основе сурьмы (Sb) и золота (Au).

СплавТемпература плавления, 0 C
Sn95/Sb5232 — 240
Sn20/Au80 (Золотой припой)280

Припой Sn91Zn9 считается высокотемпературным (91% олова и всего лишь 9% цинка). Температура его плавления составляет 195-200 0 C. Высокую температуру плавления данному сплаву придаёт практически 100% содержание олова, которое также способствует увеличению прочности.

Припои с содержанием цинка заслужили нелучшую славу. Причина в том, что цинк придаёт сплаву повышенную химическую активность и низкую коррозийную стойкость. В связи с этим, припои на основе цинка требуют использования активных флюсов, а это требует обязательной отмывки после пайки. Припойные пасты с содержанием цинка нельзя долго хранить. А пайку ими рекомендуется вести в среде защитного газа.

Наиболее удачным для замены оловянно-свинцового припоя Sn63Pb37 является близкий по свойствам сплав Sn95,5Ag3,8Cu0,7. Он применяется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже элементов.

Двухкомпонентный припой Sn99,3Cu0,7 имеет низкую прочность пайки и довольно высокую температуру расплавления в 227 0 C. По сравнению с оловянно-медными припоями лучшими качествами, как по смачиваемости, так и по прочности, обладают серебросодержащие. Так припой Sn96,5Ag3,5 успешно применяется при сборке специальной аппаратуры. Тесты показали, что он имеет более высокие показатели надёжности по сравнению с аналогичными свинцовыми припоями.

Как видим, есть припои, в которых свинец отсутствует вовсе, и его нет даже в небольшом процентном отношении. Но так ли плох свинец на самом деле?

Свинец, как в виде сплава, так и в чистом виде известен человечеству давно. Использовался для изготовления даже водопровода в Древнем Риме! Да, именно так, хотя его химические соединения опасны для здоровья, он имеет свойство накапливаться в организме.

Свинец довольно дёшев и обладает свойствами, которые придают припою необходимые характеристики. В связи с этим, с помощью свинца и заменяют олово в припое. Свинец устойчив к действию серной кислоты, применяется для опрессовки кабеля. Без свинца не могло бы быть такого важного направления как ядерная энергетика.

Чистым оловом также можно производить пайку, но оно довольно дорого, обладает высокой температурой плавления (231,9 0 C) и таким нежелательным, но удивительным свойством, как «оловянная чума».

Самое забавное, что принимаются попытки замены свинца на другие компоненты в таких сферах как производство оружия. Ни для кого не секрет, что пули изготавливают, в том числе, и из свинца.

Так что, возможно, в скором времени можно будет сказать, что для уничтожения себе подобных используются боеприпасы безопасные для экологии и здоровья .

Секреты бессвинцовой пайки

Как избежать дефектов при ручной пайке компонентов, выполненных по бессвинцовой технологии

1. Евросоюз принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, с 1 июля 2006 года начинают действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев.

Даже несмотря на то, что в электронной промышленности используется менее 1% объема всего используемого в промышленности свинца, более того – многие Pb-free припои гораздо токсичнее оловянно-свинцовых, а так же официальный стандарт Green на данный момент отсутствует, ведущие производители выработали общие критерии и собираются их придерживаться в ближайшем будущем. Аналогичные RoHS директивы приняли Китай, Япония и некоторые штаты США.

2. Прежде всего, эта директива коснется практически всех разработчиков и производителей электронной техники и в первую очередь тех, кто экспортирует продукцию в вышеперечисленные страны. Остается очень мало времени, чтобы полностью перейти на выпуск компонентов, не содержащих свинца. В самое ближайшее время крупные фирмы-производители интегральных микросхем — Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и прочие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии. Так же поступят и производители дискретных полупроводников и пассивных компонентов (ON Semiconductors, Vishay, Samsung Electro-Mechanic). Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос ближайшего времени для всех производителей электроники. В обозримом будущем данная проблема рано или поздно коснется и всех остальных.

3. Но в сложившейся ситуации, необходимо понимать следующее — мнение о том, что компоненты, не содержащие свинца, требуют особых технологий ручной пайки, не категорично! Такая точка зрения распространена среди разработчиков, производителей электронной техники и специалистов, занимающихся ремонтом. В данном вопросе все ведущие производители единодушны – большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями ручной пайки оловянно-свинцовыми припоями. И, как раз, очередное противоречие заключается в том, что совместимость с требованиями RoHS, так же как и знак «Pb-free» не означают, что элемент необходимо паять обязательно бессвинцовым припоем. Ведь в процессе пайки необходимо предотвратить термодиструкцию электронных компонентов. И эта неприятность может возникнуть потому, что большинство из «Pb-free» припоев имеют повышенную температуру плавления, которая несовместима с максимальной температурой пайки выбранных компонентов.

4. Таким образом, если выполнять ряд рекомендаций для ручной пайки, приведенных ниже, качество пайки не пострадает:

  • Когда речь идет о ручной пайке, выбираются паяльные станции, обладающие достаточным запасом мощности, термостабильностью и возможностью поддержания постоянной температуры при работе на более высоких уровнях, необходимых для бессвинцовых материалов.
  • Так как температура плавления бессвинцового припоя выше, чем у свинцовосодержащего, температура жала повышается до 343°C (по сравнению с 315°C). В таком режиме долговечность традиционных паяльных жал резко снижается. Поэтому, в процессе пайки, необходимо использовать насадки, разработанные специально под «Pb-free» пайку.
  • Современные паяльные станции обеспечивают приведенные выше требования, но при работе с бессвинцовыми припоями, для соблюдения необходимых температурных профилей некоторых компонентов, имеет смысл быстрее убирать жало пальника с места пайки.
  • Смачиваемось у бессвинцовых материалов хуже, чем у свинцовосодержащих (и многое другое у них хуже, например: окисляемость во время пайки, образование кристаллических нитей и пр.). Чем меньше окислов, тем легче идет пайка. Здесь два варианта:
    1. Пайка в среде азота. Азот, будучи инертным газом, предохраняет от окисляемости нагреваемые при пайке металлические поверхности. В этом случае требования к флюсу не категоричны, смачиваемость повышается, с припоями легче работать, качество соединений повышается.
    2. Задачу снятия окислов и обеспечения растекаемости припоя, при ручной пайке в условиях несерийного производства в не меньшей степени выполняет флюс. Это серьезная альтернатива пайке в азотной среде.
  • В процессе пайки необходимо следить за состоянием жала паяльной станции во избежание его окисления. Если применяется «Pb-free» припой, следует более тщательно очищать его и, постоянно держать его полностью покрытым припоем.
  • При работе с «Pb-free» компонентами, их монтаже-демонтаже, на плате смешанного типа необходимо тщательно очищать посадочные места компонентов, во избежание смешивания припоев «Pb-free» и традиционных, так как несоблюдение этой рекомендации, в случае смешивания припоев образуется «холодная» пайка. Становится более актуальным использование оловоотсосов, оплетки для удаления припоев и пр.
  • Так же, следуя вышеприведенному пункту, следует использовать разные жала для пайки «Pb-free» и свинцовосодержащими припоями.

5. Не стоит забывать и о микросхемах в корпусах BGA, с ними сложнее, но эта ситуация «на руку» ассортименту компании «ERSA», а именно модернизированным инфракрасным паяльным центрам IR550plus. С точки зрения работы с «Pb-free» микросхем BGA, аргументы неоспоримы:

  • Непревзойденная равномерность локального инфракрасного нагрева.
  • Точная и безопасная для чувствительных компонентов отработка термопрофиля.
  • Возможность визуального мониторинга процесса пайки (опция – видеосистема PL550A).
  • Универсальность и самодостаточность системы.
  • Возможность работы со сложнопрофильными компонентами.

SamsPcbGuide, часть 10: Технологии — пайка бессвинцовых компонентов

Данная статья – первая статья о технологиях сборки печатных плат. Последний семинар от PCB SOFT был посвящён проектированию, обеспечивающему технологичность изготовления печатной платы (англ. DFM, design for manufacture). Был поднят вопрос о целесообразности реболлинга бессвинцовых BGA-компонентов для высоконадёжных применений. И организаторы семинара, и участники уверенно говорили о том, что эту трудоёмкую операцию никто не выполняет и с проблемами никогда не сталкивался. В данной статье я критически рассмотрю этот вопрос и постараюсь показать опасность таких «общепринятых в отрасли» мнений и о пользе метода универсального сомнения старины Рене Декарта.

В 2006 году была принята директива RoHS, ограничивающая применение свинца и других признанных вредными элементов в потребительской и промышленной электронике. Это привело к тому, что большинство производителей электронных компонентов перешло на бессвинцовые корпуса, а заказ компонентов в исполнении со свинцовосодержащими выводами не всегда доступен. При этом технология пайки с применением припоев с высоким содержанием свинца никуда не делась (в ГОСТ Р 56427-2015 она, к слову, названа традиционной). Выбор припоя и/или паяльной пасты остаётся за разработчиком печатной платы, поэтому, если выбор сделан в пользу свинцовосодержащего припоя, возникает проблема пайки бессвинцовых компонентов (англ. mixed-alloy process), особенно в корпусах BGA-типа (соразмерность долей припоев). Основной вопрос заключается во влиянии смешения припоев на надёжность соединения. Вышеуказанный ГОСТ даёт однозначный ответ:

Для РЭС класса С по ГОСТ Р МЭК 61191-1-2010 недопустим отказ, аппаратура должна функционировать в любое время включения, в том числе в жёстких условиях. Эти требования относятся не только в аппаратуре военного и космического применения, надёжными должны быть, например, и ответственные промышленные системы.

Откуда в ГОСТе возникло такое требование? Это вопрос к разработчикам стандарта, которые, скорее всего, перевели зарубежный стандарт, которому, вероятно, уже 5-10 лет, а откуда требование возникло там, вообще не разобраться. И при этом участники семинара, о котором я писал в начале, представляющие срез отечественной электроники именно ответственного применения, отрицательно качали головой головой при слове «реболлинг». Возможно, у них есть положительный опыт, я не спорю, я просто против обобщений и уверенности, базирующихся на невежстве. Кто их них (и из вас, читатели) читал стандарт? А те, кто следуют стандарту, уверены, что данная операция в техпроцессе обязательна в их конкретном случае? Сама операция не снижает надёжность? Кто проводил экспериментальное исследование надёжности используемой технологии поверхностного монтажа? Потому что всё дело в эксперименте, в правильно поставленном эксперименте. Другой источник информации – анализ доступных данных от сторонних исследователей. Ниже я приведу обобщение нескольких статей на тему надёжности пайки бессвинцовых компонентов.

Температура плавления (ликвидус, TL) бессвинцовых припоев на 30-40 o C выше, чем свинцовосодержащих, поэтому, в зависимости от термопрофиля пайки и распределения теплового поля на печатной плате, можно получить различную степень смешивания в паяном соединении (рис. 1). Наличие зон концентрации и неоднородностей как самих металлов, так и интерметаллидов в припойном соединении (рис. 2) снижает его долговременную надёжность, так как такие макроструктуры являются наиболее вероятными местами образования и распространения трещин (особенно при низких температурах). Хотя в большинстве статей из списка литературы приводится анализ микрофотографий сечения соединений, единой теории причины образования трещин не прослеживается.

В таблице 1 представлены сводные результаты исследовательских работ, в основе которых лежал следующий типовой эксперимент: для фиксированного сочетания припоев BGA-компоненты (в некоторых экспериментах это нефункциональный макет компонента, в котором есть только межсоединения выводов для построения последовательной цепи), запаянные при различных термопрофилях, термоциклировались до возникновения функционального сбоя или неконтактирования. Также исследовалась зависимость от размера корпуса, в ряде работ изучалось влияние расположения компонента на печатной плате, влияние адгезива типа «underfill», финишного покрытия печатной платы и др.

В статьях нет явных указаний, выполнялся ли реболлинг BGA-компонентов для получения свинцовосодержащих шариков, но пониженные значения надёжности для этих случаев позволяет предположить, что реболлинг может приводить к снижению надёжности. В статье, посвящённой реболлингу [8], сообщается о положительных результатах термоциклирования, однако заявленная продолжительность эксперимента в 24 часа не могла обеспечить достаточного количества циклов. Поэтому вопрос снижения надёжности в результате реболлинга остаётся открытым, а в качестве базового сценария рекомендуется смешанная пайка с экспериментальным подбором термопрофиля.

Призываю отнестись к представленным данным с универсальным сомнением и поделиться в комментариях своим экспериментальным опытом.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector