Изменение свойств расплавления в статической и динамической ванне с припоем за счет использования микролегированных припоев

Хартмут Майер (Hartmut Meier)

Вернер Круппа (Werner Kruppa)

Перевод: Андрей Новиков

Загрязнение припоев

Как правило, основным источником загрязнения ванны с припоем является имеющаяся на печатных платах медь. В то же время медь или сплав меди -наиболее часто используемый материал для монтажа штыревых компонентов. Другие, легко растворимые в припое металлы адсорбируются в ванне с припоем в большинстве случаев в очень маленьком количестве и играют, как правило, второстепенную роль при загрязнении ванны с припоем.

При контактировании меди и олова в зоне контакта образуются интерметаллические фазы. Этот процесс происходит как в твердом, так и в жидком состоянии. При твердом состоянии состава такой процесс протекает достаточно медленно, так как диффузия атомов металлов через кристаллическую структуру является фактором, определяющим скорость. Если же олово или сплав олова находится в жидком состоянии, то образование и рост фаз происходят очень быстро. Как и при любой химической реакции, повышение температуры ведет к значительному увеличению скорости реакции. При избыточном количестве олова, как, например, в большой ванне с припоем, реакция между металлами не ограничивается только образованием интерметаллических фаз, они растворяются в расплаве. Представленная на рис. 1 фазовая диаграмма описывает систему легирования в состоянии термодинамического равновесия. Она демонстрирует состояния для содержания меди до 2,4% в зависимости от температуры.

Рис. 1. Фазовая диаграмма олово-медь (фрагмент)

На рис. 1 изображено возможное окно процесса для пайки волной припоя, селективной и ремонтной пайки. Растворение возможно лишь при нахождении системы сплава в состоянии выше линии ликвидуса. Расплав в таком случае является ненасыщенным, что ведет к дальнейшему растворению меди. При постоянной температуре скорость растворения меди в большой ванне с припоем остается почти неизменной. В данном случае она зависит лишь от содержания меди в сплаве припоя.

Технологический процесс

Если рассматривать важные процессы пайки в деталях, то особенно критическими считаются параметры процессов для селективной и ремонтной пайки. В то время как пайка волной припоя проводится при незначительно более высокой температуре (от 260 до 275 °C) и типичным временем контактирования от 1 до 6 с, то для процессов селективной и ремонтной пайки необходимы значительно более высокие температуры пайки (от 275 до 320 °C), а также возможно более длительное время контакта. Необходимая для процесса пайки теплопередача для образования паяных соединений хорошего качества, особенно при селективной пайке, подается в место соединения через контакт с расплавленным припоем из мини-волны или из сопла. Более высокие температуры и более длительное время контакта вызваны, помимо прочего, более низкой мощностью предварительного нагрева при проведении этих процессов. При ремонтной пайке добавляется также тот факт, что время контакта в большинстве случаев определяется вручную, и ход процесса (выпайка — очистка — повторная пайка) требует многократной пайки. Так же и в процессе селективной пайки при обработке, например, широких разъемов, путем частично необходимого использования малых площадей поперечного сечения сопла не удается исключить многократные процессы пайки контактов, расположенных в середине одного ряда. Эти граничные условия показывают, что в самом процессе производства проблема расплавления как контактов, так и печатных проводников становится все более важной. Используемые температуры пайки и обусловленные ходом процесса частично необходимые многократные процессы пайки (прежде всего при ремонтной пайке) усиливают этот эффект и приводят, с одной стороны, к повреждениям электронных модулей (рис. 2), а с другой — к изменению состава сплава в ванне с припоем (рис. 3).

Рис. 2. Паяное соединение после селективной пайки 310 °С/12 с

Рис. 3. Кривая концентрации

На рис. 2 изображено металлизированное отверстие, расплавленное в процессе селективной пайки. С левой стороны изображена массивная медная контактная площадка с изначальной толщиной 35 мкм (А), в середине — толщина контактной площадки (В) сокращается до 11 мкм, и далее происходит полное растворение материала в верхней области медной металлизации отверстия (С). На рис. 3 изображено возможное изменение концентрации меди в ванне с припоем в течение производственного цикла до 400 часов эксплуатации с экстраполяцией кривой до 1000 часов. На практике для контроля состояния ванны с припоем необходим ее анализ с целью соблюдения значений содержания меди.

Возможное решение

Возникает вопрос: как может быть рационально сокращена скорость растворения в бессвинцовых процессах пайки волной припоя, селективной и ремонтной пайки? В качестве основных факторов, влияющих на скорость растворения наряду с температурой и временем пайки, можно назвать статический или динамический режим процесса пайки, сплав припоя, а также металлизацию контактов. За исключением состава сплава припоя, такие факторы воздействия, как оборудование для пайки и требования, зависят от уровня продукта. В то время как замену оборудования и изменение дизайна продукта часто возможно осуществить лишь при больших затратах, использование модифицированных систем сплавов для решения этой проблемы может быть предпочтительным. Кроме того, на рынке уже давно предлагаются микролегированные припои, которые должны в значительной степени способствовать сокращению скорости расплавления.

В данном случае речь идет о микролегированных бессвинцовых группах сплавов на основе олова-меди или олова-серебра-меди с различным содержанием меди и серебра, стабилизированных кобальтом. Самым важным в этих сплавах являются добавляемые в очень малых количествах черные металлы, при этом кобальт считается наиболее эффективным. Однако по металлургическим причинам большое количество кобальта оказывает негативное воздействие на расплав припоя, в связи с чем предпочтительно использование комбинации микропримесей. Благодаря этому возможно поддерживать очень малую концентрацию отдельных элементов. Однако главным в этой системе сплавов остается взаимодействие элементов олова, меди и кобальта. Схематически принцип действия можно представить так, что растворимость интерметаллических фаз в жидком припое резко сокращается, и только при более высоких температурах она ведет к заметной способности растворения (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое изображение эффекта при использовании бессвинцового припоя Flowtin

Проведение испытаний

Статические испытания

Для подтверждения принципа действия микролегированных припоев на первом этапе была определена скорость расплавления при помощи испытания погружением в статическую ванну с припоем проволочных образцов, при этом для определения скорости расплавления каждый раз было использовано наименьшее значение диаметра (рис. 5).

Рис. 5. Испытание проволочных образцов на расплавление

На рис. 6 представлена скорость расплавления образцов в припое Sn99,3Cu0,7 (голубая линия) и бессвинцовом припое Elowtin TC (красная линия).

Рис. 6. Сокращение диаметра проволоки в зависимости от времени погружения — SnCu (голубой), Flowtin TC (красный)

На рис. 5 и 6 можно видеть сокращение диаметра проволоки и как результат этого -радиальную скорость расплавления, полученную в испытании с использованием припоя Sn99,3Cu0,7, в сравнении с соответствующим микролегированным бессвинцовым припоем Flowtin TC на основе SnCu0,7.

Диинамические испытания

На втором этапе исследовалось динамическое поведение процесса расплавления. Испытания проводились на установке для селективной пайки (рис. 7), при этом наряду с температурой пайки (от 260 до 340 °C) варьировалось также время контактирования (от 3 до 12 с).

Рис. 7. Мини-волна установки для селективной пайки

Испытания проводились на односторонней тестовой печатной плате (Cu-OSP). Наряду с сокращением диаметра штыревого вывода, прежде всего, проводился анализ сокращения толщины медной контактной площадки, при этом для определения скорости расплавления всегда использовалось наименьшее значение толщины. На рис. 8 и 9 представлен результат на примере сплава Sn95,5Ag3,8Cu0,7 и бессвинцового припоя Elowtin.

Рис. 8. Растворение контактной площадки — при 260 °C (а), при 320 °C (б)

Рис. 9. Скорость расплавления в температурной области от 260 до 320 °C

В таблице показано воздействие микролегированных припоев при температуре пайки 320 °C и времени контактирования до 12 с.

Таблица. Сравнение растворения для различного времени контактирования при температуре пайки 320 °C

В то время как, при этих условиях, медный слой изначальной толщиной в 30 мкм при использовании сплава Sn95,5Ag3,8Cu0,7 был полностью растворен, при использовании микролегированного припоя остаточная толщина слоя составляет 10 мкм, что достаточно для изготовления работоспособного паяного соединения.

Выводы

Во время реакции между металлами при процессах пайки происходит их расплавление. Наиболее часто используемым металлом-основой является медь, она скапливается в паяных соединениях и при пайке волной припоя, и при селективной пайке в ванне с припоем. Это скопление негативно влияет на процесс пайки и часто ведет к повреждениям, особенно к образованию перемычек припоя. Скорость расплавления была измерена в статичной и в подвижной ваннах с припоем, которые были наполнены припоями олово-медь или олово-серебро-медь. Было показано, как при помощи использования бессвинцовых припоев Elowtin можно стабилизировать этот феномен. Уменьшение скорости расплавления зафиксировано как в штыревых выводах, так и на контактных площадках. Скорость расплавления может быть описана как функция времени и температуры и может быть различной для штыревых выводов и медных контактных площадок, а также зависит от динамического или статического режима.

Использование микролегированных припоев особенно рекомендуется при более высоких температурах пайки в сочетании с более длительным временем контактирования. Благодаря уменьшению скорости расплавления при использовании микролегированных припоев возможно проведение многоразовых процессов пайки, например ремонтной пайки без повреждения паяных соединений (рис. 2).

При пайке волной и селективной пайке в температурной области около 265 °C при использовании микролегированного припоя Elowtin практически не происходят процессы расплавления, состав ванны с припоем не изменяется, что позволяет избежать необходимости корректирования состава ванны при помощи дополнительных припоев. Решение по использованию этих припоев обусловлено также экономическими аспектами.

Примечание. Оригинал cтaтьи опубликован в журнале PLUS (Prоduktiоn vоn Leiterрlatten иnd Sуstemen. 2009 №9. Германия).