Технологии в электронной промышленности №4'2008

ELSOLD TC07 — новый бессвинцовый припой для пайки волной

Антон Большаков



«Это не похоже на бессвинцовую пайку! Паяное соединение выглядит практически так же, как привычное оловянно-свинцовое!» Такова реакция людей, которые в первый раз видят результат пайки волной бессвинцовым припоем ELSOLD TC07. И это только одна из причин, по которой многие начинают использовать этот припой.

Удивительно, но, смирившись с тем, что в отличие от привычного блестящего оловянно-свинцового бессвинцовое паяное соединение матовое, поражаешься, насколько эстетически красивыми, блестящими и гладкими выглядят галтели сплава ELSOLD TC07.

Исследуя бессвинцовые сплавы и процессы их кристаллизации, разработчики нового сплава обнаружили, что появление матовости на поверхности галтели связано с нарушением образования интерметаллического соединения Cu6Sn5. Дальнейшее изучение процессов образования интерметаллических соединений показало, что атомы никеля, внедренные в структуру припоя, могут стабилизировать образование правильной кристаллической решетки интерметаллида Cu6Sn5.

Эта гипотеза была подтверждена исследованиями, при которых добавление в сплав менее чем 1% никеля радикально изменило внешний вид паяного соединения. Припой и количество различных примесей в его составе являются определяющими факторами, от которых зависит качество и надежность паяных соединений. В таблице 1 приведен типовой состав припоя ELSOLD TC07 и предельно допустимое содержание примесей в ванне.

Таблица 1. Типовой состав припоя ELSOLD TC07 и предельно допустимое содержание примесей в ванне
Типовой состав припоя ELSOLD TC07 и предельно допустимое содержание примесей в ванне

Однако сплав ELSOLD TC07 интересен не только внешней привлекательностью. Когда в 1999 году модифицированный сплав впервые испытали в установке пайки волной припоя, получили ошеломляющий результат. При температуре 255 °C был достигнут уровень перемычек, сопоставимый с пайкой обычным оловянно-свинцовым сплавом. Поверхность галтелей была гладкая и блестящая и опровергала мнение о матовости бессвинцовых паек. Столь же положительные результаты были получены и при горячем лужении.

Примеры параметров процесса пайки приведены в таблице 2. Рекомендуемое время контакта печатного узла с волной припоя — 3–4 с.

Таблица 2. Параметры процесса пайки
Параметры процесса пайки

Говоря о бездефектности пайки, отсутствии перемычек, непропаев, неполном заполнении монтажных отверстий и форме галтелей, следует отметить, что благодаря присутствию в сплаве никеля, который препятствует преждевременной кристаллизации, припой ELSOLD TC07 имеет повышенную текучесть, и в результате отмечен более низкий процент перемычек и непропаев. Удивительно, но по сравнению с бессвинцовым сплавом олово-серебромедь, где серебро присутствует, в том числе и для достижения полного заполнения монтажных отверстий и хорошей формы галтелей, припой ELSOLD TC07 обеспечивает такой же хороший результат, как и при пайке обычным сплавом олово-свинец.

Другая сложность при бессвинцовой пайке волной припоя — это выщелачивание меди с поверхности печатных плат. В результате появляется много проблем по контролю загрязнения припоя медью, постепенного увеличения шламообразования и эрозии ванн из нержавеющей стали.

Выщелачивание меди определяется скоростью, с которой медь растворяется с поверхности печатного узла в ванне с бессвинцовым припоем. Это особенно важно для печатных узлов с медной металлизацией с органическим защитным покрытием. Для бессвинцовых процессов более высокая температура ванны и более высокое содержание олова увеличивает скорость растворения меди. В свою очередь, увеличение содержания меди увеличивает температуру жидкого припоя в ванне, и, соответственно, приходится повышать температуру ванны, увеличивая скорость растворения меди. И так по кругу.

Что может случиться, если медь быстро растворяется с контактных площадок, становится ясно при анализе рис. 1. Печатная плата находилась в контакте с бессвинцовым припоем в течение 3 с. Медь при пайке сплавом олово-серебро-медь была растворена настолько, что это может повлиять на целостность паяного соединения.

Микрошлиф контактной площадки с растворенной медью

Для определения скорости растворения меди был проведен ряд лабораторных исследований с использованием сплавов олово-серебро Sn63/Pb37, олово-серебро-медь (SAC305) и ELSOLD TC07. В одном из тестов тонкую медную проволоку диаметром 0,48 мм, находящуюся под контролируемым натяжением, погружали в расплавленный припой при температуре 255 °C, после чего измеряли время до ее разрыва. По результатам, приведенным в таблице 3, можно видеть, что припой ELSOLD TC07 растворяет медь гораздо медленнее, чем остальные сплавы.

Таблица 3. Скорость растворения медной проволоки
Скорость растворения медной проволоки

На диаграмме (рис. 2) показано, какое количество меди растворяется в припое при температуре 270 °C за единицу времени. Припой ELSOLD TC07 не только растворяет медь медленнее, чем другие бессвинцовые припои, но и медленнее, чем сплав олово-свинец 63/37.

Количество меди, растворяемой различными припоями за единицу времени

Надежность, одно из самых используемых в последнее время слов по отношению к бессвинцовой технологии, подразумевает способность изделия соответствовать требованиям условий, в которых оно будет эксплуатироваться в течение определенного времени. При этом подразумевается как механическая надежность, так и электрическая функциональность. Испытания на ускоренное старение по стандарту IPC показали, что ELSOLD TC07 имеет лучшие характеристики, чем олово-серебро-медь SAC. Сравнение физических свойств сплавов приведено в таблице 4.

Таблица 4. Сравнение физических свойств сплавов 96SC, ELSOLD TC07, SN63
Сравнение физических свойств сплавов 96SC, ELSOLD TC07, SN63

Производители аудиотехники, сравнивая электрические свойства, обнаружили интересный эффект. Они отметили улучшение качества звучания моделей, собранных на основе печатных плат, при изготовлении которых был использован сплав ELSOLD TC07. Конечно, оценка уровня звучания — субъективна, но сплав ELSOLD TC07 имеет электрическую проводимость на 23% выше, чем сплав олово-свинец, что способствует поддержанию чистоты сигнала.

Стоимость работы с припоями ELSOLD TC07 и олово-серебро-медь SAC будет складываться из цены припоя и стоимости обслуживания ванн.

Применение серебра в сплаве олово-серебро-медь SAC добавляет к стоимости ≈5 рублей на каждый грамм припоя.

Шламообразование также влияет на экономические показатели работы установки. Уровень образования шлама будет зависеть от температуры припоя, интенсивности агитации, условий окружающей среды, степени частоты припоя и наличия компонентов, уменьшающих шламообразование. При всех прочих равных условиях при сравнении со сплавом олово-серебро-медь припой ELSOLD TC07 за счет содержания никеля обеспечивает экономию на шламе до 50% в зависимости от условий работы.

Итак, новый сплав ELSOLD TC07 обладает следующими преимуществами:

  • Используется как в установках пайки волной припоя, так и горячего лужения.
  • Лучшая замена обычного оловянно-свинцового сплава.
  • Уменьшение количества непропаев и перемычек.
  • Блестящая и гладкая поверхность галтели.
  • Более экономичный по сравнению со сплавом олово-серебро-медь.
  • Имеет минимальную скорость растворения меди.
  • Более чем 1500 установок пайки волной припоя успешно работают по всему миру.

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо