Aim означает «Цель»: паяльные и сервисные материалы компании aim Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Компоненты и технологии, № 1'2005

Окончание. Начало в № 6-82004

«AIM» означает «цель»

Мы завершаем серию статей о паяльных и сервисных материалах, поставляемых фирмой AIM, обзором материалов для бессвинцовых технологий пайки.

Наталия Лебедева

aim@pribor.ru

Александр Переятенец, к. т. н.

pribor@pribor.ru

В последнее время проблемы бессвинцовой пайки вызывают повышенный интерес изготовителей радиоэлектронной техники. Вопросы бессвинцовых технологий, казавшиеся совсем недавно слишком отдаленными, чтобы о них беспокоиться, становятся реальностью. Запрет на применение свинца в отдельной стране или группе стран неминуемо создаст экономический барьер между этой страной и любой другой, неспособной обеспечить бессвин-цовое производство, что не может не вызывать беспокойство тех изготовителей радиоэлектроники, которые ориентированы на импорт своей продукции. Кроме того, такой барьер может иметь место и между отдельными компаниями или отраслями промышленности. Эти факторы стимулируют конкуренцию между изготовителями, одни из которых готовы к переходу на новые материалы раньше других.

Таким образом, переход на бессвинцовую пайку является только вопросом времени, и изготовители РЭА начинают свои исследования по поиску оптимальных материалов и технологий без применения свинца.

11 октября 2002 года Европейское Сообщество одобрило WEEE (Положение об отходах радиоэлектронного и электрооборудования) и RoHS (Положение о применении некоторых опасных веществ в радиоэлектронном и электрооборудовании). Эти положения касаются применения таких тяжелых металлов, как свинец, кадмий, ртуть и шестивалентный хром, а также бромированных огнезащитных составов. С 1 июля 2006 года эти вещества будут запрещены к использованию в производстве РЭА в Европейском Сообществе.

Компания AIM занимается производством бессвинцовых сплавов и разработкой свободных от свинца технологий с 80-х годов прошлого столетия и накопила богатый опыт и обширные знания в этой области. В настоящий момент AIM производит целый ряд

материалов для пайки без содержания свинца, составляющих полную технологическую линию для любых процессов и отвечающих особенностям каждого конкретного производства:

1. Бессвинцовые припои для групповой пайки.

2. Совместимые с бессвинцовыми материалами флюсы.

3. Бессвинцовые проволочные припои:

-с сердечником из флюса;

- цельнометаллические.

4. Бессвинцовые паяльные пасты:

-безотмывные, на основе флюса, не требующего

последующей отмывки;

-водосмывные, на основе флюса, предполагающего последующую водную отмывку;

-с флюсом на основе канифоли.

Бессвинцовые припои

Компания AIM производит широкий ряд бессвин-цовых сплавов для любых технологий монтажа печатных плат, включая пайку волной, ручную пайку, трафаретную печать и др. Перечень сплавов AIM, их состав и температура плавления, а также виды продукции AIM на основе этих сплавов приведены в таблице 1.

Из перечисленных выше припоев можно выделить группу Sn/Ag/Cu, вызывающую в последнее время повышенное внимание западных изготовителей радиоэлектроники, в качестве жизнеспособной замены оловянно-свинцовым сплавам. Наиболее общими требованиями к бессвинцовым сплавам можно считать следующие:

• рентабельность;

• экологичность;

• механическая прочность;

• устойчивость к термической усталости;

• достаточно низкие температуры процесса;

• совместимость с различными бессвинцовыми и содержащими свинец покрытиями.

Соответствуя этим требованиям, сплавы группы

Sn/Ag/Cu успешно применяются во многих отраслях индустрии, и большинство радиоэлектронных компаний, планируя свой переход на бессвинцовые технологии, останавливают свой выбор на одном из припоев этой группы. Припои Sn/Ag/Cu совместимы с различными покрытиями компонентов и печатных плат, включая Sn/Pb/Ag, Ni/Pd, Ni/Pd/Au, органические покрытия (рис. 1).

Компоненты и технологии, № 1'2005

Таблица 1

Таблица 3

№ Сплав Т плавления Комментарии Виды продукции - i'i ! о _ Э = IP's 5° « is o£ §8 o| § = so ,2 oc

1 In52/Sn48 118 Низкотемпературный сплав. Большое содержание In обуславливает дороговизну этого сплава. Следует обратить внимание на проблемы коррозии, усталости, прочность соединения. + + -

2 Sn42/Bi58 138 Низкотемпературный сплав. Следует обратить внимание на проблемы охрупчивости и термической усталости соединений. + + -

3 Sn42/Bi57/Ag1 138 Сходные с Sn42/Bi58 свойства с улучшенными усталостными характеристиками. + + -

4 In97/Ag3 143 Низкотемпературный сплав. Большое содержание In и Ag обуславливает дороговизну этого сплава. Следует обратить внимание на проблемы коррозии, усталости, прочность соединения. + + -

5 Sn91/Zn9 199 Следует обратить внимание на подверженность коррозии и оксидации припоев Sn/Zn. Требует специальных флюсов. Короткий срок хранения. - + -

6 CASTIN Sn/Ag2.5/Cu0.8/Sb0.5 217 Самая низкая температура плавления и стоимость в группе припоев Sn/Ag/Cu. Надежность соединений и совместимость со стандартными компонентами, материалами и процессами. + + +

7 SAC 305 Sn/Ag3/Cu0.5 217-218 Соответствует рекомендациям JEIDA. Наиболее дешевый из припоев Sn/Ag/Cu без добавок. + + +

8 Sn/Ag3.5/Cu0.5 217-218 Припой группы Sn/Ag/Cu. Сходные с SAC 305 характеристики, немного дороже. + + +

9 TSC-4 Sn/Ag3.8-4/Cu0.5-0.7 217-218 Припой группы Sn/Ag/Cu с более высоким содержанием серебра. Сходные с SAC 305 и CASTIN характеристики; стоимость выше. + + +

10 Sn96.5/Ag3.5 221 Требует более высокой температуры пайки, чем припои Sn/Ag/Cu. Следует обратить внимание на термическую надежность и смачивание. + + +

11 Sn95/Ag5 221-240 Высокотемпературный припой. Высокая стоимость из-за насыщенности серебром. + + +

12 Sn99.3/Cu0.7 227 Рентабельная альтернатива для пайки волной и ручной пайки. Следует обратить внимание на смачивание. + + +

13 Sn97/Sb3 232-238 Свойства, сходные с Sn95/Ag5 + + +

14 Sn95/Sb5 232-240 Высокотемпературный припой. Следует обратить внимание на смачивание. Дешевле, чем припои Sn/Sb. + + +

15 Au80/Sn20 281 Применяется преимущественно для пайки золота по золоту. Высокая стоимость. + + -

16 Sn97/Cu3 227-300 Высокотемпературный припой. + + +

17 Sn/Ag25/Sb10 260-300 Высокотемпературный припой для присоединения кристаллов. Высокая стоимость сплава из-за насыщенности серебром. + + +

1? Au88/Ge12 356 Припой для эвтектического присоединения кристаллов. + + -

Отметим, что из анализа, проведенного фирмой AIM, следует, что сплав SAC 305 применяют 67% японских радиоэлектронных компаний. Сплав CASTIN, запатентованный компанией AIM, обеспечивает повышенную теплостойкость благодаря добавлению Sb и образованию интерметаллических структур сурьмы с серебром и медью. Применение этого припоя с температурой плавления 217 °С не влечет за собой образование токсичных оксидов сурьмы, образующихся при температурах выше 600 °С.

При использовании бессвинцовых паяльных материалов существенной является проблема

особо точной центровки и позиционирования компонентов на плате, тогда как при работе с содержащими свинец паяльными материалами допустимая ошибка в центровке при установке компонентов может достигать 50%. При оплавлении паяльной пасты происходит их самопозиционирование.

Диагностика качества пайки, осуществляющейся по бессвинцовым технологиям, несколько усложняется, так как не может быть использован рентгеновский метод контроля.

Надо признать, что внешний вид бессвин-цовых паяных соединений отличается от соединений, полученных с применением при-

Наименование припоя Совмести- мость

Glow Core безотмывные материалы

Fast Core

WS 482 водосмывные материалы

Стандартные диаметры, мм Форма выпуска

2,34

1,57

1,02 0,64 катушки

500 г

0,51

0,38 катушки

0,25 250 г

поев Sn /Pb. Бессвинцовые соединения выглядят более тусклыми, но это не означает, что они менее прочные — скорее наоборот. В таблице 2 приведены некоторые сравнительные характеристики физических свойств паяных соединений Sn/Pb и Sn/Ag/Cu.

Проволочные припои компании AIM на основе перечисленных в таблице бессвинцовых сплавов выпускаются как цельнометаллические, так и с сердечниками из флюса. Стандартное содержание флюса составляет 2,5%. В зависимости от типа флюса они могут быть совместимы с безотмывными или водосмывными материалами. Основные виды бессвинцовых проволочных припоев с сердечником из флюса приведены в таблице 3.

Совместимые с бессвинцовыми материалами флюсы

Компания AIM производит жидкие флюсы, совместимые с бессвинцовыми материалами (таблица 4). Кроме того, выпускаются также флюс-гели, предназначенные для допайки и ремонтных работ. Свойства таких флюс-гелей приведены в таблице 5.

Бессвинцовые паяльные пасты

Как видно из таблицы 1, компания AIM изготавливает паяльные пасты на основе большинства из перечисленных в этой таблице сплавов. Как правило, производятся безот-мывные и водосмываемые пасты; бессвинцовые пасты на основе канифоли применяются значительно реже. В таблице 6 приводятся характеристики некоторых паяльных паст компании AIM, предназначенных для бессвинцо-вых технологий.

Переход к применению бессвинцовых материалов влечет за собой некоторые изменения в производственном процессе. При этом параметры печати, как правило, не требуют значительных изменений, кроме возможной

Таблица 2

Таблица 4

Характеристики Sn63/Pb37 Sn/Ag/Cu

Растяжение

Предел прочности при растяжении, кПа 33922,2 39506,9

2 Предел текучести, кПа 30199 33508,5

3 Модуль Юнга, Па 33,58 51,16

Относительное удлинение, %* 52,87 50,00

Сжатие

Модуль эластичности, Па 27,51 29,37

Предел текучести, кПа 31164,3 29854,3

Твердость** 10,08 13,5

‘допустимыми считаются результаты от 30% до 70% **по15-балльной шкале Rockwell Test

Наименование NC 264-5 NC 270 WR WS 735

Классификация Не требует отмывки Не требует отмывки Водосмываемый

Отмывка Специальными отмывочными средствами (рекомендуется А1МТегде 520А) Водой Водой

Содержание галогенов Нет Нет Соответствует MIL-F-14256

Содержание летучих органических соединений (УОС) Содержит в допустимых количествах Не содержит Содержит в допустимых количествах

Удельный вес к воде 0,79-0,81 1,01 0,945-0,95

Содержание твердых частиц, % 3,5 3,76 23,1

Кислотное число, мг КОН на 1 г флюса 19,4 34,2 63,6

Таблица 5

Наименование Классификация Смачивание Активность Примечания

NC 254 безотмывный улучшенное средняя Низкий уровень остатков, рекомендуется для ВОА

WS 353 водосмываемый улучшенное высокая Расширенный предотмывочный период, рекомендуется для ВОА

Компоненты и технологии, № 1'2005

Таблица 6

Наименование NC 254 NC 368 WS 353

Классификация безотмывная безотмывная водосмывная

Содержание металла, % для стандартной трафаретной печати 88,5

Размер металлических частиц для стандартной трафаретной печати до 45 микрон

Срок хранения при 4±2 °С 12 мес. 6 мес. 6 мес.

Срок хранения при комнатной температуре 6 мес. 3 мес. 3 мес.

Стандартная упаковка банка 500 г шприц 10 мл банка 500 г банка 500 г шприц 10 мл

Особенности Улучшенное смачивание, рекомендуется для ВОА Повышенная активность Рекомендуется для печати с мелким шагом и ВОА

модификации трафарета. Причиной для такой модификации может быть несколько более низкая смачивающая способность бессвин-цовых паяльных паст. Необходимость модификации можно выяснить, тестируя пасту на трафарете на растекаемость и смачивание.

Наиболее значимые изменения должны быть внесены на стадии оплавления — как результат различия в температуре плавления бессвин-

цовых припоев и припоев ряда Sn/Pb. В отличие от сплавов группы Sb/Pb, имеющих температуру пика 210-220 °С, пиковая температура большинства бессвинцовых припоев составляет 235-260 °С. В связи с этим особенно важно минимизировать ДТ при максимальном смачивании в течение всего температурного профиля, включая стадию охлаждения. Выбор оптимального температурного режима зависит

от плотности печати, размеров компонентов и характеристик печи оплавления. Режим типа «Нагрев-Пик», график которого изображен на рис. 1, является предпочтительным в большинстве случаев, обеспечивая оптимальное смачивание и менее продолжительное термальное воздействие, чем традиционный режим «Нагрев-Выдержка-Пик» (рис. 2). Параметры этих процессов приведены в таблицах 7 и 8.

Требуемые более высокие температуры пайки могут привести к проблемам непропаев, в целом более характерной для бессвинцовых паст, чем для традиционных паст Sn/Pb. Для решения этих проблем может быть использована паста, разработанная для достижения эффекта «анти-непропаев». Кроме того, температурный режим, включающий продолжительную выдержку при низкой температуре и изображенный на рис. 3, эффективно сокращает количество непропаев. Этот режим описан в таблице 9.

Что касается условий хранения бессвинцовых паяльных паст и подготовки их к работе, то у фирмы AIM они практически не имеют отличий от аналогичных условий для паст с содержанием свинца и могут быть сведены к следующим пунктам:

• соблюдение оптимальных условий хранения и транспортировки;

• предотвращение воздействия тепла и влажности;

• согревание и перемешивание пасты перед применением.

Таблица 7

Нагрев-пик

Нагрев 0,8-0,9 °С/с

т График Прямой или вогнутый

т 2/3 графика ниже 150 °С

т Температура пика 240°С±5°С

5 При температуре выше температуры плавления 60 ± 15 с

6 Продолжительность профиля от комнатной температуры до пика 3,5-4 мин

t Охлаждение 4 °С/с

Таблица 8

Нагрев-выдержка-пик

Скорость нагрева до 150 °С 1,6 °С/с

т Температура выдержки 150-170 °С

т Время выдержки 60-90 с

т Температура пика 240 °С±5 °С

5 При температуре выше температуры плавления 60 ± 15 с

6 Продолжительность профиля от комнатной температуры до пика 3,5-4 мин

т Охлаждение 4 °С/с

‘Температуры указаны для сплавов группы

Sn/Ag/Cu

Таблица 9

Режим с длительной низкотемпературной выдержкой

1 Скорость нагрева до 120 °С 1,25 °С/с

т Температура выдержки 120-180 °С

т Время выдержки 60-90 с

т Температура пика 240 °С±5 °С

5 При температуре выше температуры плавления 60 ± 15 с

6 Продолжительность профиля от комнатной температуры до пика 4,5-5 мин

У Охлаждение 4 °С/с

‘Температуры указаны для сплавов группы Sn/Ag/Cu

Компоненты и технологии, № 1'2005

Таблица 10

LOCTITE(MULTICORE) AIM

припой Crystal 511, Ecosol TSC96SC AIM bar solder

Паяльная паста Crystal 96SCLF, R39 NC254

Отмывка остатков флюса после пайки с применением бессвинцовых материалов в целом требует большей интенсивности: увеличения концентрации отмывочных средств, времени воздействия, температуры и пр. Повышенная интенсивность отмывки необходима вследствие увеличения количества остатков флюсов после пайки и их устойчи-

вости к воздействию отмывочных средств. Это связано с тем, что пайка объективно осуществляется при большей температуре, чем с припоями и пастами, содержащими свинец. Эффективность отмывки зависит от качества отмывочного средства, точки плавления припоя, свойств флюса.

В таблице 10 дано соответствие паяльных материалов рекомендуемых для бессвинцовых технологий пайки и поставляемых под торговыми марками LOCTITE(Multicore solders) и AIM.

Таким образом, решение проблемы перехода на бессвинцовые технологии во многом

обусловлено выбором оптимальных паяльных материалов, соответствующих ряду критериев. Замещение традиционных припоев группы Sn/Pb на припои Sn/Ag/Cu представляется наиболее целесообразным для большинства процессов, принимая во внимание их физические характеристики, совместимость с текущими процессами, возможность бесперебойных поставок и стоимость. Адаптация производственного процесса с учетом свойств этих материалов позволяет эффективно осуществлять облуживание компонентов, поверхностный монтаж, групповую и ручную пайку и пр.