Технические аспекты и альтернативные сплавы
Задача перехода на бессвинцовую технологию поставлена. Ее необходимо решать уже сегодня. Так чем же заменить свинец? И возможна ли такая замена в принципе? Существуют ли бессвинцовые припои, близкие по своим свойствам к знаменитой оловянно-свинцовой эвтектике Sn63/Pb37 (олово-63%, свинец-37%)? Эвтектика (от греческого eutektos — легкоплавкий) — сплав из нескольких компонентов со строго определенным процентным соотношением. Эвтектические смеси плавятся при строго определенной температуре, в то время как неэвтектические только постепенно размягчаются в некотором температурном диапазоне. Температура плавления эвтектических смесей ниже, чем неэвтектических, содержащих те же компоненты. Характеристики прочности припоя Sn63/Pb37 при циклических перепадах температуры ухудшаются уже при температуре около 125°С (верхняя граница автомобильного температурного диапазона).
Одна из перспективных бессвинцовых замен — сплав системы Sn/Ag/Cu (олово/серебро/медь) или сокращенно SAC с высокой устойчивостью к появлению трещин при термоциклах. Основой припоев, не
содержащих свинец, является олово, но в чистом виде оно непригодно для пайки. Было исследовано много разных сплавов. Для сравнения некоторые характеристики популярных свинцовых и бессвинцовых припоев приведены в таблицах 1 и 2 (на примере французской фирмы Radiel-Fondam).
Доля вредных примесей является основным фактором качества паяльного припоя, поэтому Radiel-Fondam для производства своей продукции использует металлы только первой плавки. Продукция фирмы используют компании Texas Instruments, Philips, Hitachi, ABB, Sharp и многие другие известные производители. В России припои Radiel-Fondam можно приобрести в ДКО «Электронщик» (www. electronshik.ru).
Сплав SnAgCu больше всего привлекает внимание зарубежных производителей электроники. Припои SnAgCu совместимы с различными покрытиями проводников печатных плат и компонентов, включая NiPd. Внешний вид паяных бессвинцовых соединений отличается от оловянно-свинцовых. Бессвинцовые соединения выглядят более тускло, но это не значит, что они менее прочные.
Основной критерий при выборе припоя — это температура плавления. Все припои по этому признаку можно разделить на четыре группы: низкотемпературные (температура плавления ниже 180°C), с температурой плавления, равной эвтектике Sn63/Pb37 (180...200°C), со средней температурой плавления (200...230°C) и высокотемпературные (230...350°C).
Низкотемпературные припои имеют ограниченное применение. В их состав входят кроме олова висмут и индий. Самые распространенные эвтектические сплавы — олово-висмут и олово-индий. Трудно
ожидать, что сплавы с низкой температурой плавления обеспечат надежные паяные соединения при высоких температурах эксплуатации. Существуют также ограничения по поставкам индия и висмута, высока и стоимость припоев на их основе.
Большинство среднетемпе-ратурных припоев для заме-
ны свинца — это сложные по составу сплавы на основе олова с добавлением меди, серебра, висмута и сурьмы. К сожалению, ни один из них не может полностью заменить Sn63/Pb37. У всех сплавов выше температура плавления. Наиболее близкий по своим свойствам припой Sn95,5/ Ag3,8/Cu0,7 сегодня исполь-
зуется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже.
Сплавы с большим содержанием свинца имеют температуру плавления около 230°C. В этом температурном диапазоне практически отсутствуют бессвинцовые припои для замены. Самый дешевый заменитель — это припой Sn99,3/Cu0,7 (олово — медь), который рекомендован для пайки волной припоя. Недостаток SnCu припоев — высокая температура плавления (227°C для эвтектики) и низкая прочность. Предпочтительны эвтектические сплавы, поскольку их кристаллизация происходит в узком температурном диапазоне, при этом отсутствует смещение компонентов, в результате чего достигается более высокая надежность соединений (меньше вероятность получения «холодных» паек).
Лучшими свойствами обладают сплавы Sn/Ag, у них более высокая смачиваемость и прочность по сравнению с Sn/Cu. Эвтектический сплав Sn96,5/ Ag3,5 с температурой плавления 221°C при испытаниях на термоциклирование показал более высокую надежность по сравнению с Sn/Pb. Припой Sn96,5/Ag3,5 уже многие годы успешно применяется в специальной аппаратуре.
Эвтектический припой Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7 был получен в результате доработки базового сплава Sn/Ag. Не-
сколько лет назад этот сплав был неизвестен, поскольку припой Sn/Ag/Cu имел более низкую точку плавления (217°C) по сравнению с Sn/ Ag. Точный состав этого припоя по-прежнему остается предметом для обсуждения. Sn/Ag/Cu может использоваться для получения как универсальных, так и высокотемпературных припоев.
Припой Sn89Zn8Bi3 (олово — цинк — висмут) имеет температуру плавления, близкую к эвтектике Sn/Pb, однако наличие в его составе цинка приводит к ряду проблем. Припойные пасты на этой основе имеют короткое время жизни, требуется флюс повышенной активности, при оплавлении образуется трудно растворимая окалина, паяные соединения подвержены коррозии, требуется обязательная промывка соединений после пайки.
Результаты проводимых во многих странах исследований говорят о том, что на сегодняшний день лидером в бессвинцовой гонке являются сплавы SnAgCu. Не исключено, что со временем будут найдены и другие сплавы с еще лучшими параметрами.
|
