Выбор правильного припоя: руководство для любителей и профессионалов

О компании

Скачать бланк заказа

Отправить файлы на расчет

Служба поддержки

+7 (495) 221-69-21 +7 925 730-14-87

Наибольшее распространение получили сплавы олово-серебро-медь для бессвинцовой сборки SMT. Хотя есть и другие варианты, такие как сплавы, содержащие висмут или индий и другие элементы. Припои олово-серебро-медь, также известные как сплавы SAC, на сегодняшний день являются наиболее популярными. SAC припоем пользуются примерно 65% производителей электронного оборудования.

Особенности поверхностного монтажа с применением бессвинцового припоя

Бессвинцовый процесс SMT отличается от процесса с использованием паст, содержащих свинец (63/37), во многих аспектах. Четкое понимание этих различий при использовании сплавов SAC позволит инженерам-технологам внести необходимые изменения в процесс SMT и уменьшить дефекты пайки, повысить надежность сборки плат бессвинцовым припоем и сохранить высокую производительность.

Часто, когда производитель переходит на бессвинцовую пайку, наблюдается рост дефектов. Как правило, это связано с неправильно реализованным технологическим процессом. Опыт многих компаний, применяющих бессвинцовую пасту, показывает, что четко определенный, оптимизированный и контролируемый бессвинцовый процесс, позволяет избежать многих дефектов.

Основные различия между процессами SMT с добавлением свинца и без свинца кратко изложены ниже:
  • Физические свойства припоя, температура плавления, поверхностное натяжение, окисление, потенциал выщелачивания металлов;
  • Более высокие пиковые температуры;
  • Более высокие температуры предварительного нагрева;
  • Бессвинцовое покрытие поверхностей печатных плат и контактных площадок и выводов компонентов
  • Флюсы для пайки и поверхностные эффекты;
  • Различия в паяемости, такие как скорость смачивания и растекания;
  • Худшее самоцентрирование или выравнивание компонентов.

Оплавление

Температура оплавления SAC-сплавов 217-220°C; это примерно на 34°C выше точки плавления припоя с свинцом 63/37. Более высокая температура плавления требует, чтобы пиковые температуры для достижения смачивания и капиллярности находились в диапазоне 235–245°C. При использовании плат с более низкой теплоемкостью (небольшой массой) припоями SAC можно использовать более низкие пиковые температуры до 229°C, однако использование более низкой пиковой температуры может потребовать большего времени удержания пасты и изделия при температуре выше температуры оплавления (TAL).

Высокая температура термопрофиля вынуждает использовать другие химического составы флюсов для паяльной пасты. Флюс в паяльной пасте составляет почти 50% от общего объема. Его ингредиенты характеризуют реологические свойства пасты, ее свойства к трафаретной печати, предотвращение холодной и горячей осадки, стойкость к налипанию на трафарет и др.

Поскольку предварительный нагрев задействован до момента оплавления, система флюсования предотвращает горячее оседание, окисление металлов, подлежащих соединению, нейтрализует окислы порошка припоя и удаляет оксиды соединяемых металлов. Таким образом, система флюсования обеспечивает поверхность припоя, свободную от оксидов, что способствует растеканию припоя.

После завершения оплавления система флюсования подлежит удалению в воде, если это паста, смываемая водой, либо остается на плате, не образуя окислов, если это паста, не требующая очистки.

Состав флюса

Основные ингредиенты флюса для паяльной пасты можно описать следующим образом:

  • Смолы твердые и жидкие;
  • Активаторы, органические кислоты;
  • Растворители;
  • Связывающие агенты;
  • ПАВ;
  • Хелатирующие агенты.

Производителям паяльной пасты пришлось пересмотреть большинство этих ингредиентов, чтобы приспособить пасты к более высоким температурам, возникающим при оплавления. Большинство из этих ингредиентов являются органическими соединениями. Термическая стабильность которых до 245°C важна, чтобы избежать разрушения, окисления и полимеризации флюса при оплавлении.

Бессвинцовые паяльные пасты, разработанные для измененного технологического процесса, обязательны к применению и помогают предотвратить дефекты монтажа.

Типичные дефекты, связанные с бессвинцовой пайкой оплавлением

  • Перемычка;
  • Шарики припоя;
  • Слипание шариков;
  • Плохое смачивание;
  • Пустоты;
  • Могильный камень;
  • Осушение.

Перемычки и шарики припоя

Первые три дефекта — перекрытие, шарики припоя и слипание шариков могут возникнуть из-за неправильного выбора паяльной пасты. Так как при использовании бессвинцовой пасты температура предварительного нагрева выше, то критически важны свойства пасты, характеризующие спекание частичек припоя; необходимы паяльные пасты с хорошим спеканием при более высоких температурах, например, 185°C. Традиционная паста с добавлением свинца 63/37 при такой температуре уже расплавилась и потекла, а наполнители пасты разрушились.

На рисунке (ниже по тексту) показано качество спекания двух паяльных паст SAC.

image

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

Обе пасты пропускали через печь оплавления при 180°C. Паста B обладает лучшими характеристиками оседания (спекания) при нагревании, чем паста A, и с меньшей вероятностью вызовет перемычки, шарики припоя или образование комков в средней части контактных площадок. Для электронных компонентов с мелким шагом выводов крайне важно выбрать бессвинцовую пасту с термостабильным наполнителем.

image

Рис. 2. Процесс миграции в сторону уменьшения шага выводов

Плохое смачивание выводов и контактных площадок

Платы без дополнительного покрытия (из чистой меди), прошедшие более одного теплового цикла, склонны к неполному смачиванию контактных площадок. В то время как, платы, покрытые оловом или иммерсионным серебром, показывают гораздо лучшее распределение припоя.

Покрытия Ni/Au

Если никель не подвергается воздействию примесей или оксидов, обычно хорошо паяется. Ниже приведены два примера: один со сплавом SAC на меди, а другой — с иммерсионным серебром; оба QFP были оплавлены на воздухе с использованием флюса типа ROLO с пастой SAC, не требующей очистки.

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

Бессвинцовые припои очень критичны к выбору температурного профиля, поскольку диапазон пиковой температуры значительно уже припоев со свинцом. Так, сплавы SAC плавятся при 217°C, тогда как пиковая температура должна находиться в диапазоне 235-245°C. Поэтому плохая паяемость, недостаточное смачивание, также могут быть результатом некорректного температурного профиля.

Пайка BGA микросхем

В настоящее время применение BGA корпусов микросхем достаточно распространено. Сборка плат с BGA корпусами требует особой деликатности и подхода. Необходимо помнить о том, что распределение тепла по плате не всегда равномерно. В областях платы, где размещены массивные теплоемкие элементы может наблюдаться локальное уменьшение температуры, вызванное поглощением тепла теплоемкими элементами. В конечном счете это может привести к снижению качества пайки.

Рис. 4. Измерение температуры выводов корпуса BGA корпуса (контрольная плата)

Для подбора оптимального температурного профиля при использовании корпусов BGA необходимо использовать испытательную плату. Испытательная плата это прототип платы устройства, которая приспособлена для установки температурных щупов путем установки в отверстия в плате. В дальнейшем данная плата не может быть использована по назначению. На рис. 4 показан способ изменения температуры непосредственно на шарах BGA корпуса микросхемы, что является наиболее информативным способом. После сборки тестовой платы, желательно произвести детальное исследование качества пайки с применением оборудования оптического или рентгеновского контроля.

Рис. 5. Результаты пайки разной температурой. (а)- дефект пайки вызванный недостаточным нагревом, (б) — результат чрезмерного нагрева, (в) — пайка оптимальной температурой

На фото слева показаны шары, которые не подверглись оплавлению из-за недостаточной температуры, т.е. ниже 217°C. Конечно, этого можно избежать, если пайка будет производиться с корректным температурным профилем в печи оплавления.

На фотографии в центре продемонстрирован случай, когда пайка BGA производилась при высокой температуре. Измерение температуры на тестовой плате показало значение приближающееся к 265°C на самом контактном шаре.

На фото справа показано правильная осадка шаров из бессвинцового припоя. Пайка производилась с правильно установленным тепловым профилем. Зазор между поверхностью платы и корпусом BGA микросхемы может быть больше у бессвинцового SAC из-за его более высокого поверхностного натяжения.

Причины плохого смачивания бессвинцового припоя:
  • Низкий уровень активности паяльной пасты;
  • Высокая температура предварительного нагрева;
  • Большое время предварительного нагрева;
  • Недостаточное время удержания припоя в расплаве;
  • Окисление соединяемых деталей.

В отличии от паяльных паст для оловянно-свинцовых систем, паста для сплавов SAC в активном состоянии находится при температуре 217°C и выше.

Припои олово-серебро-медь обладают более медленным смачиванием металлических поверхностей и для достижения хорошего впитывания и растекания припоя необходимо время. Обычно диапазон составляет 60-90 секунд с пиковыми температурами 235-245°C.

Если есть опасения, что поверхности, подлежащие пайке окислены, то желательно проверить паяемость с помощью методов испытаний, таких как испытание скорости смачивания.

Пустоты в бессвинцовых соединениях и BGA

Достаточно много материала о предотвращении образования пустот при пайке бессвинцовыми паяльными пастами, содержащими олово-серебро-медь. Избыточные пустоты в паянных соединениях снижают надежность, особенно в тех случаях, когда оборудование подвергается термоциклированию, вибрации или деформации. Кроме того, пустоты могут снизить теплопроводность и проводимость соединения. Однако, мелкие пустоты в некоторых случаях могут позитивно сказываться на надежности, поскольку за счет изменения структуры соединения уменьшается вероятность возникновения трещин способных нарушить электрическое соединение. Пустоты могут снимать напряжение, отчасти из-за упругости воздушных карманов.

Причины появления пустот в соединениях:
  • Химический состав паяльной пасты;
  • Эффекты поверхностного натяжения припоя;
  • Температурный профиль;
  • Окисление внешней поверхности паяных соединений;
  • Геометрическая форма соединения;
  • Тип финишного покрытия печатной платы и компонентов;
  • Процесс удаления газа из припоя во время оплавления.

Рис. 6. Пустоты, возникшие при пайке (а)-QFP корпуса, (б)-BGA корпуса

Бессвинцовые сплавы SAC обладают более высоким поверхностным натяжением по сравнению с 63/37. Выбирая паяльную пасту с химическим составом флюса, рассчитанным на более высокий предварительный нагрев и пиковые температуры, вы с большой вероятность избежите образование пустот в паянном соединении.

Увеличение времени предварительного нагрева и времени после оплавления пасты уменьшает количество пустот. Однако не следует забывать о том, что почти все электронные компоненты критичны к времени воздействия высокой температуры, поэтому увеличение времени преднагрева и оплавления должно четко сочетаться с техническими требованиями к температурному профилю применяемых компонентов.

В некоторых случаях важную роль играет геометрия соединений. Компоненты поверхностного монтажа часто имеют контактные площадки с вертикальными поверхностями, поэтому выход пузырьков газа происходит по более длинной траектории, которая лежит вдоль вертикальной поверхности, кроме того, затруднена шероховатостью самой поверхности, что приводит к возникновению пустот.

Дефект «надгробного камня»

Как говорилось ранее, припои без свинца обладают более низким смачиванием, поэтому возникновение дефекта, связанного с подъемом мелких компонентов так называемый дефект «надгробного камня», может происходить гораздо чаще, чем при использовании припоя 63/37. Чтобы уменьшить количество подобных дефектов, необходимо обратить внимание на точность установки компонентов, поскольку центрирование (выравнивание) компонентов на бессвинцовом припое происходит менее выраженно.

Также, провоцирует возникновение дефекта «надгробный камень» паяльные пасты, с обильным выделением газа на начальных этапах плавления припоя.

Смачивание

Плохое смачивание происходит из-за недостаточной активности флюса. Однако с пастами, смываемыми водой, плохая смачиваемость происходит достаточно редко, поскольку флюс в пасте обладает высокой активностью. Паяльные пасты с более низкой активностью категории ROLO, не содержат галогеннов, поэтому отсутствие смачивания проявляется при пайке площадок, покрытых органическими соединениями или сплавом Ni/Au при наличии на нем окислов никеля или загрязнений.

Ниже приведены результаты испытаний. На две пластины с разным покрытием была нанесена паяльная паста, затем тестовые образцы были оплавлены с использование температурного профиля, рекомендованного производителем. На рисунке справа показано плохое смачивание, на рисунке слева удовлетворительное.

Рис. 7. Смачивание площадок припоем без свинца. (а) плохое смачивание, (б) удовлетворительное смачивание

Способы уменьшения или предотвращения плохого смачивания при пайке бессвинцовым припоем:
  • Используйте пасту SAC сохраняющую высокую активность вплоть до температуры плавления — 217°C;
  • Убедитесь, что соединяемые поверхности не окислены;
  • Уменьшите время предварительного нагрева или температуру, чтобы сохранить активность флюса;
  • Увеличьте время нахождения припоя в расплавленном состоянии выше (217°C), если позволяет активность флюса.

Матовость и поверхностные эффекты при использовании бессвинцового припоя

Сплавы SAC обладают меньшей отражающей способностью, чем сплавы 63/37, поэтому галтель выглядит более матово — без блеска. Это не считается дефектом.

Если пайка производится в конвекционной печи, припой SAC не блестящий с поверхностными дефектами, такими как растрескивание, которые возникают из-за интерметаллидов и окислами в припое.

При использовании атмосферы из инертных газов — азота, места пайки будут иметь более высокую отражающую способность.

Ниже две фотографии. Слева — 63/37, сплава припой SAC305.

Рис. 8. Внешний вид соединений в воздушной среде. (а) — оловянно-свинцовым припоем, (б) — бессвинцовым припоем

Более низкие пиковые температуры и меньшее время, нахождения припоя в расплавленном состоянии, уменьшает как эффекты связанные с появлением интерметаллидов, так и увеличат блеск паяных соединений.

Рис. 9. Внешний вид соединений в воздушной среде с уменьшенным временем удержания припоя в расплавленном состоянии. (а) — оловянно-свинцовым припоем, (б) — бессвинцовым припоем

Таким образом, переход на бессвинцовую технологию требуют надлежащего подхода. Операторам необходимо будет предоставить критерии приемлемости качества паяных соединений, которые будут сильно отличаться от традиционных с применением припоя содержащим свинец.

Источник: www.kester.com

Толкование

Бессвинцовые припои
Катушка припоя

Бессвинцовый припой — припой, не содержащий в своём составе свинца.

Составы наиболее распространённых припоев:

Олово 52 % Индий 48 %
Олово 42 % Бериллий 58 %
Олово 91 % Цинк 9 %
Олово 97 % Серебро 2,3 % Медь 0,7 %

Почти все бессвинцовые припои имеют меньшую текучесть (смачиваемость), чем оловянно-свинцовые. Для улучшения текучести применяются специальные составы флюсов. Характеристики шва бессвинцовых припоев, возникающие при длительной эксплуатации также хуже, чем у припоев, содержащих свинец.

На данный момент, ни один из бессвинцовых припоев не считается полной заменой оловянно-свинцового и ведутся дальнейшие исследования по разработке бессвинцового припоя для полноценной замены таковых.

См. также

Смотреть что такое «Бессвинцовые припои» в других словарях:

  • Припой — Катушка оловянно свинцового припоя Припой металл или сплав, применяемый при пайке для соединения заготовок и имеющий температуру плавления ниже, чем соединяемые металлы. Применяют сплавы на основе …   Википедия

  • Легкоплавкие сплавы — …   Википедия

  • Сурьма — 51 Олово ← Сурьма → Теллур …   Википедия

  • Sb — Сурьма (Sb) Атомный номер 51 Внешний вид простого вещества твёрдый серебристо белый хрупкий полуметалл Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 121,760 а. е. м. (г/моль) Радиус атома …   Википедия

  • Пайка — У этого термина существуют и другие значения, см. Пайка (значения). Отпайка контакта. Пайка технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями… …   Википедия

Свинцовые припои Sn63/Pb37 — 183°C Sn10/Pb90 – 302°C, для пайки использовать спецфлюс, иначе жало покрывает окалина Sn12,5/Pb25/Bi50/Cd12,5 — 65,5°C (сплав Вуда) Sn25/Pb25/Bi50 — 94°C (сплав Розе)

Бессвинцовые припои Sn98.5/Ag1.0/Cu0.5 — 227°C Sn97/Ag3.0/Cu0.5/Ge0.018 — 219°C Sn97/Ag3.0/Cu0.5 — 219°C Sn97/Ag4.0/Cu0.5 — 219°C Sn97/Ag0.05/Cu0.7/0.025Ni/Ge0.01 — 228°C Sn96.5/Ag3.5 — 221°C

Сравнение припоев

Припой Hi-Fi 1мм с каналом флюса vs ASAHI ПОС-61 1мм с каналом флюса CF-10.

Состав припоя Hi-Fi 1мм: серебро 3.5%, олово 96.5%. Внешний вид:

Состав ASAHI ПОС-61 с каналом флюса CF-10 Внешний вид:

Пайка проходит хорошо и предсказуемо, после пайки есть остатки флюса. Спаиваемые соединения глянцевые после остывания.

Во время пайки рассмотренными припоями резкого запаха нет, допустимо паять долгое время. При использовании вентиляции запаха нет вообще. Припой не расплескивается. Поверхностное натяжение почти одинаково. У Hi-Fi припоя чуть-чуть выше, чем у ASAHI ПОС-61 с CF-10.

Результат пайки. Дорожки пролужены припоем ASAHI, выводы деталей припаяны Hi-Fi припоем. Масштаб (линейное увеличение) — x30.

ASAHI ПОС-61 1мм с каналом флюса CF-10 vs Amtech NC-61 Amtech имеет смысл сравнивать только с Asahi, так как они очень близки по характеристиками. Так что расскажу только о различиях. Состав Amtech NC-61. Как следует из характеристик, в припое применен слабоактивный флюс (REL0). Слабее, чем в Asahi. После пайки остается меньшее количество флюса и цвет более прозрачен по сравнению с Asahi. Однако, он имеет более резкий запах и поверхностное натяжение заметно меньше. То есть жалом труднее снять припой, если переборщили с его количеством.

Пара слов о китайских паяльных станциях Бессвинцовая пайка на Lukey — занятие не их простых. Во-первых, нагревательный элемент, если он китайский, выдает максимум 50Вт, а надо как минимум 80Вт для стабилизации температуры жала. Если использовать 50-ти ваттный нагревательный элемент, то нужно толстое жало и температуру не более 350°C по термометру станции. Чуть выше температура — жало моментально начинает покрываться окалиной. Чуть меньше — температура моментально падает до той, когда нормально паять невозможно.

Будьте всегда в курсе! Узнавайте о скидках и акциях первым

В пищевой промышленности использовать оловянно-свинцовый припой нельзя. Бессвинцовый припой был изобретен как безвредный аналог оловянно-свинцовому припою. Бессвинцовые припои идеальны для монтажа медных и нержавеющих труб, применяемых в системах питьевого водоснабжения благодаря отсутствию в составе вредного свинца, а наличие серебра в бессвинцовых припоях повышает его текучесть и, как следствие, надежность и пластичность паяного соединения.

Фильтр По популярности По порядку По цене Хит Быстрый просмотр 4933 Припой Sanha №3, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 1 100 руб./шт Акция Быстрый просмотр 600237 Припой Castolin BC 5423, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 1 730 руб. /шт 1 825 руб.5% Экономия 95 руб. Быстрый просмотр 15 0152 Припой Cimco с канифолью, 100гр Доставка: 1-2 рабочих дня 1 040 руб./шт Быстрый просмотр 149720201 Припой Felder Cu-Rotin 3 Sn97Cu3, 250гр Доставка: 2-3 рабочих дня 1 535 руб./шт Быстрый просмотр Припой Senra Sn97Cu3, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 1 260 руб./шт Быстрый просмотр 45255 Припой Rothenberger №3, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 2 420 руб./шт Быстрый просмотр 14952020 Припой Felder Cu-Rotin 4, Ag3%, 250гр Доставка: 2-3 рабочих дня 3 040 руб./шт Советуем Быстрый просмотр 754976 Припой Castolin 157, Ag3.5%, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 4 475 руб./шт Быстрый просмотр Припой Senra Sn96.5Ag3.5, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 3 600 руб./шт Быстрый просмотр 45250 Припой Rothenberger 1S, 250гр Доставка: 1-2 рабочих дня 5 895 руб./шт Быстрый просмотр 350035 Припой Castolin 157, Ag3.5%, упак 2,5кг Доставка: 1-2 рабочих дня 13 110 руб./кг

Внедрение бессвинцовой технологии пайки печатных плат не изменило, по сути, процесса электронного монтажа (пайка оплавлением припоя, пайка волной, ручная пайка и т.д.). Тем не менее, она заставила инженеров-технологов пересмотреть параметры, используемые в этих процессах из-за двух факторов: 1) более высоких температур, необходимых для производства бессвинцовой пайки; 2) плохой паяемости сплавов (что во многом объясняется отсутствием Pb). Что касается пяти основных этапов процесса монтажа печатных плат, то переход на бессвинцовую пайку в первую очередь повлиял на этапы 3, 4 и 5. Необходимость пайки плат при более высоких температурах ограничивает «окно процесса» монтажа с использованием бессвинцовых припоев и как бы подталкивает к разработке технологии пайки печатных плат с применением бессвинцовых припоев. Высокая номинальная температура должна соответствовать различным температурам пайки компонентов по всей плате, чтобы обеспечить плавление припоя, адекватного смачивания и растекания в каждом межсоединении. С другой стороны, максимальная температура пайки должна быть ограничена, чтобы предотвратить тепловые удары термочувствительных устройств и плат.

image Из-за низкого качества пайки элементов плат бессвинцовыми припоями также возникает несколько проблем. Несмотря на то, что в качестве основной причины плохого качества пайки печатных плат бессвинцовыми припоями часто приводится длительное время, необходимое для нагрева окончаний выводов и платы, именно высокое поверхностное натяжение сплавов на оловянной основе (при отсутствии свинца) ограничивает их смачиваемость и растекаемость. Необходимость в более продолжительном нагреве является особой проблемой при «быстрой» пайке, например пайке волной припоя или ручной пайке печатных плат. Однако на самом деле плохая паяемость влияет на все процессы электронного монтажа печатных плат, поскольку она может ухудшить качество заполнений отверстий и образование галтелей, как при быстрой, так и относительно продолжительной (пайка оплавлением припоя) пайке. Качество пайки бессвинцовыми припоями можно повысить двумя путями. Во-первых, уже разработаны новые формулы флюсов, которые эффективно уменьшают поверхностное натяжение припоя. Во-вторых, для поверхностей выходов компонентов и/или контактных площадок плат могут использоваться альтернативные виды финишной обработки, которые улучшают смачивание и растекание бессвинцовых сплавов. С точки зрения электронного монтажа печатных плат, полезной является комбинация бессвинцовых и традиционных оловянно-свинцовых припоев. Сплав олово-свинец может улучшить смачивание и растекание бессвинцового припоя благодаря двум процессам. Во-первых, присутствие свинца снижает поверхностное натяжение расплавленного припоя. Во-вторых, присутствие свинца снижает температуру плавления бессвинцового припоя. Тем не менее, озабоченность вызывает то, что смешивание оловянно-свинцовых и бессвинцовых припоев при пайке печатных плат может повлиять на долгосрочную надежность межсоединений в условиях термомеханической усталости. И наконец, использование бессвинцовых припоев оказывает влияние на послемонтажный этап отмывки (этап 4) и проверки (этап 5). Чем выше температура процесса, тем более трудноудаляемыми становятся остатки флюса, что требует более агрессивной отмывки, чтобы обеспечить их полное удаление. Кроме того, более стойкие остатки могут нарушить контакт зонда с тестируемыми контактными площадками на печатной плате. Плохой контакт может привести к выявлению ложных обрывов цепи после монтажа.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий