Москва: +7 (499) 110-36-94 , mos@contractelectronica.ru
Санкт-Петербург: +7 (499) 110-36-94 , spb@contractelectronica.ru

 
Slider

Бессвинцовые припои и их свойства

Замена традиционных типов припоев на материалы, не содержащие свинца, является не только веянием времени, но и требованием многочисленных международных комиссий по экологии. В статье рассмотрены свойства различных типов бессвинцовых припоев, даны рекомендации по их применению.

Версия в PDF (909Kb)

Среди термических, механических, усталостных и других свойств припоев одним из самых важных является температура плавления. В таблице 1 представлены некоторые из широко известных типов бессвинцовых припоев [1].

Следует отметить, что продолжается работа по оптимизации составов бессвинцовых припоев для достижения ими необходимых свойств. По этой причине составы припоев, приведенных в таблице 1, могут время от времени несколько отличаться от серийно производимых припоев. Например, в таблице 2 показаны торговые марки некоторых серийно производимых припоев различных производителей.

Бессвинцовым припоям с высоким содержанием индия (например, первому из припоев в таблице 2) свойственна несовместимость материалов индия и свинца, независимо от того, присутствует ли последний на поверхности печатной платы или на выводах компонентов. Для реализации полностью бессвинцового процесса в некоторых случаях (например, при использовании сплавов, содержащих индий) необходимо задействовать бессвинцовое покрытие паяемых поверхностей печатного монтажа и выводов компонентов.

Таблица 1. Примеры некоторых бессвинцовых припоев и их свойства [1]

Состав бессвинцового

Температура

Примечания

припоя

плавления, °С

48 Sn/52 In

118(эвтектическая

Низкая температура плавления, высокая

 

температура)

стоимость, низкая прочность

42 Sn/58 Bi

138(эвтектическая

Стандартный, доступность зависит от

 

температура)

доступности висмута

91 Sn/9Zn

199 (эвтектическая

Высокая степень шлакообразования,

 

температура)

коррозионная стойкость

93,5Sn/3Sb/2Bi/1,5Cu

218(эвтектическая

Высокая прочность, высокая

 

температура)

устойчивость к термической усталости

95,5Sn/3,5Ag/1 Zn

218...221

Высокая прочность, хорошая

   

устойчивость к термической усталости

99,3 Sn/0,7 Cu

227

Высокая прочность, высокая температура

   

плавления

95 Sn/5 Sb

232...240

Высокое сопротивление сдвигу,

   

устойчивость к термической усталости

65Sn/25Ag/10Sb

233

Патент Motorola, высокая прочность

97Sn/2Cu/0,8Sb/0,2Ag

226...228

Высокая температура плавления

96,5Sn/3,5Ag

221 (эвтектическая

Высокая прочность и высокая

 

температура)

температура плавления

Из таблицы 1 видно, что бессвинцовые припои характеризуются либо слишком низкой, либо слишком высокой температурой плавления по сравнению с эвтектическими свинцово-

оловянным припоями. В таблице 2 приведены, в основном, бессвинцовые припои с высокой температурой плавления.

При использовании низкотемпературных припоев необходим специальный флюс, поскольку стандартный флюс при низких температурах малоактивен. Еще одним ограничением, связанным с низкотемпературными припоями, является уменьшение их смачивающих свойств, вызванное пониженной текучестью при субэвтектических температурах.

Для низкотемпературных применений определенное признание получили припои, содержащие индий. Так, многими компаниями используется припой, содержащий 52% 1п и 48% Бп, поскольку он обеспечивает лучшие характеристики при повторной пайке в процессе ремонта или переделки. Поскольку температура плавления этого припоя составляет 244°Р (118°С), повторная пайка при более низкой температуре может производиться многократно без риска теплового повреждения. Если печатные линии платы покрыты золотом в качестве антиоксиданта, то использование припоя с индием предотвращает выщелачивание золота [2].

Еще одним бессвинцовым припоем с низкой температурой плавления является припой 42 Бп/58 Ы. Если посмотреть на фазовую диаграмму припоя БпЫ, то можно увидеть, что температура плавления находится на

уровне 138°С. Висмут используется в паяльных сплавах для достижения низких температур плавления, но висмутсодержащие сплавы обычно имеют плохие характеристики смачивания.

Многие другие сплавы, представленные в таблице 1, обладают более высокой температурой плавления, чем свинцово-оловянный эвтектический сплав с температурой плавления 183°С. Это, например, цинк-оловянный высокотемпературный бессвинцовый припой с температурой плавления 198°С.

Высокотемпературные припои несовместимы с широко распространенными материалами для изготовления печатных плат, такими как РИ-4. Помимо этого, более высокие температуры при повторной пайке могут увеличить риск повреждения платы.

В настоящий момент не существует бессвинцовых припоев, полностью заменяющих свинцовосодержащие, хотя некоторые производители описывают свои припои как «почти идентичные» [3]. Даже в этом случае для повторной пайки требуется температура жала паяльника 400°С. Для некоторых применений эта температура может оказаться слишком высокой и вызвать тепловое повреждение.

Одной из ключевых проблем использования высокотемпературных припоев, представленных в таблицах 1 и 2 при пайке волной, является повышение риска пробоя конденсаторов. При пайке волной следует поддерживать температуру в диапазоне 230...245°С, что на 45...65°С выше температуры плавления оловянно-свин-цового припоя. Бессвинцовый припой с температурой плавления 220°С потребует при пайке волной температуры 265...280°С. Это увеличивает разницу температур между предварительным нагревом и пайкой волной и, соответственно, повышает риск повреждения конденсаторов.

В целом, почти все бессвинцовые припои имеют меньшую смачиваемость (текучесть), чем эвтектические оловянно-свинцовые, и потому первые из них хуже заполняют необходимую площадь. Для улучшения текучести требуются специальные составы флюсов. Усталостные характеристики бессвинцовых припоев также недостаточно хороши, хотя в одном

Таблица 2. Примеры бессвинцовых припоев различных производителей (с любезного разрешения Dr. Raiyoman Aspandiar, Intel Corporation)

Тип припоя

Поставщик

Состав

Температура плавления, °C

Примечания

       

Несовместимость индия и свинца.

Indalloy™ 227

Arconium Specialty Alloy

77,2Sn/20 In/2,8 Ag

187

Требуется бессвинцовое покрытие контактных площадок печатной платы и выводов микросхем

Слишком высокая температура

Alloy H™

Alpha Metals

84,5 Sn/7,5 Bi/5 Cu/2 Ag

212

ликвидуса. При пайке волной требуется температура более 260-С

Несовместимость индия и свинца.

Tin-Zinc Indium

AT&T

81 Sn/9Zn/10ln

178

Требуется бессвинцовое покрытие

     

контактных площадок печатной платы и выводов микросхем

Castin™

AIM Products U.S. Dept. of Energy (DOE)

96,2 Sn/2,5 Ag 0.8 Cu/0,5 Sb

215

Слишком высокая температура ликвидуса. При пайке волной

Tin-Silver -Copper

(Министерство энергетики США)

93,6Sn/4,7Ag/1,7Cu

217

требуется температура более 260-С

из исследований не наблюдалось нарушения целостности паяного соединения после испытания термическим циклом для высокотемпературного припоя 96,5 Бп/3,5 Ag (последний сплав в таблице 1) [4].

В идеале температура плавления выбранного припоя должна составлять около 180°С, так чтобы для оплавления использовалась температура 210...230°С; для пайки волной — 235...245°С, а для ручной пайки — 345...400°С. Более высокие температуры ручной пайки могут использовать только высококвалифицированные

монтажники во избежание теплового повреждения.

В спецификации J-STD-006, разработанной IPC, приведен подробный список оловянно-свинцовых и бессвинцовых припоев. Однако ни один из бессвинцовых припоев не считается полной заменой эвтектического оловянно-свинцового. В настоящее время ведутся исследования по разработке бессвинцового припоя, который станет полноценной заменой упомянутому выше оловянно-свинцовому. Это насущное требование, которое неизбежно следует учесть.

Литература

1. Socolowski, Norbert. Lead free alloys and limitations for surface mount assembly. Proceedings of Surface Mount International, 1995, pp. 477—480.

2. Keeler, R. Specialty solders outshine tin/lead in problem areas. EP&P, July 1987, pp. 45—47.

3. Seelig, Karl. A study of lead free solder alloys. Circuit Assembly, October 1995, pp. 46 - 48.

4. Melton, Cindy. How good are lead free solders. SMT, June 1995, pp. 32—36.

Статья подготовлена no материалам сайта www.rayprasad.com