Бессвинцовые технологии. Планы и реалии

Василий Штенников

Отечественные предприятия и организации вынуждены активизировать работы по ликвидации негативных последствий внедрения бессвинцовых технологий.

ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники», утвержденная постановлением Правительства РФ 26.1 1.2007 г. № 807, рассчитана на 2008-2015 годы. В ней, в частности, предусмотрены:

• разработка импортозамещающих специальных конструкционных и технологических материалов, обеспечивающих процессы бессвинцовой и комбинированной пайки, изготовления коммутационных плат;
• освоение технологий нанесения новых финишных покрытий (никель-золото, иммерсионное олово), обеспечивающих повышение надежности бессвинцовой пайки компонентов, сборку аппаратуры из электронной компонентной базы в малогабаритных корпусах различного типа, в том числе с матричным расположением выводов;
• развитие новых методов присоединения, сварки, пайки, в том числе с применением бессвинцовых припоев.

На еще более далекую перспективу рассчитана «Стратегия развития электронной отрасли России до 2025 года», в проекте которой предусматривается решение ряда вопросов, связанных с бессвинцовыми технологиями.

Таким образом, в обозримом будущем отечественные предприятия будут полностью зависеть от поставок импортных электронных компонентов. В сочетании с вступлением в силу Директивы RoHS актуальными стали следующие проблемы:

• оценка возможности обеспечения достаточного качества приборов гражданского назначения, производимых по бессвинцовой технологии, при сохранении или снижении издержек производства;
• прогнозирование последствий использования смешанной технологии (применение импортных компонентов с бессвинцовым покрытием, с одной стороны, и одновременное использование апробированных припоев, содержащих свинец, — с другой) для производства приборов оборонного и космического назначения;
• оценка ближайших перспектив использования бессвинцовой и смешанной технологии в приборах оборонного и космического назначения с целью унификации технологий и повышения их надежности.

К сожалению, публикуемые материалы, в которых рассматриваются эти проблемы, мало обнадеживают.

Основные последствия введения бессвинцовых припоев по данным [1] следующие.

Температура плавления и, следовательно, температура пайки для бессвинцовых припоев, как правило, выше, чем у припоя ПОС61 (ПОС63), примерно на 30^40 °C. Последнее обстоятельство предполагает большую термостойкость электронных компонентов, печатных плат, сохранение активности флюса при более высоких температурах, сохранение работоспособности оборудования. Бессвинцовые припои имеют худшие механические и химические характеристики по сравнению со свинецсодержащими припоями. Использование бессвинцовых припоев предъявляет повышенные требования к влагосодер-жанию монтируемых материалов и компонентов и, следовательно, к герметичности упаковки до монтажа, а значит, предполагает введение операции сушки. Критерии оценки качества паяных соединений претерпевают изменения, что должно отразиться на обучении персонала. Внедрение бессвинцовых припоев вызовет повышение цен на комплектующие. Стоимость припоя растет уже потому, что свинец -один из наиболее дешевых металлов, используемых для низкотемпературной пайки. Повышение температуры пайки предопределяет повышение энергопотребления.

Автор статьи [2] приводит следующие данные, связанные с применением бессвинцовых технологий.

Бессвинцовые соединения характеризуются более низкой ударопрочностью, оловянными дендритами, ускоренной кристаллизацией за счет повышения температуры пайки, повышенным образованием пустот в паяном соединении, эрозией меди. При тестовых испытаниях пайкой волной припоя при одинаковой температуре и времени воздействия в бессвинцовых соединениях пустот гораздо больше, чем в содержащих свинец припоях. Кроме того, бессвинцовые припои с высоким содержанием олова способны частично или полностью растворять медь с окантовки металлизированных отверстий при пайке волной припоя, которая происходит в течение 4-7 с.

Автор публикации [3] сообщает, что при использовании бессвинцовых технологий снижается

ремонтопригодность изделий. Кроме того, растет количество дефектов, связанных с использованием обсуждаемой технологии: повышенное гидротермическое расширение и, как следствие, образование трещин в корпусах компонентов во время пайки; повышенное коробление компонентов и печатной платы; расслоение компонентов и ПП при монтаже и ремонте; менее надежное соединение между компонентом и финишным покрытием ПП; непредсказуемое качество соединения между выводом и контактными площадками ПП; повышенная опасность образования ин-терметаллидов из-за более высокой температуры оплавления, большего содержания олова в припое, отсутствия свинца, сдерживающего их рост; образование оловянных «усов»; меньшая долговечность паяных соединений.

Необходимо отметить негативные последствия использования бессвинцовых припоев и в случае применения ручной контактной пайки: разбрызгивание флюса; недостаточное смачивание соединяемых поверхностей; повышенная эрозия паяльного стержня, обусловленная как более высокой температурой пайки, так и большим содержанием олова в припое; повышенная опасность перегрева электронных компонентов; образование «пиков» или «флажков» припоя в паяном соединении [4-8].

Использование висмута в бессвинцовых припоях снижает температуру его плавления, а следовательно, и температуру пайки. Стоимость припоя не увеличивается. Однако сплавы на основе висмута обладают чрезмерной хрупкостью, недостаточной прочностью на отрыв из-за малой усталостной прочности, более низкой рабочей температурой эксплуатации прибора. То же самое можно сказать о припоях на основе индия. Кроме того, индий значительно дороже висмута [9].

Хорошими свойствами обладает эвтектический сплав Sn96Ag4 с температурой плавления 221 °C. При термоциклировании он показывает даже лучшую надежность по сравнению с припоем SnPb. Припой многие годы успешно использовался в изделиях специального назначения. Его основной недостаток -большая температура пайки, достигающая 260 °C. Эвтектический сплав Sn95,5Ag3,8Cu0,7 (SAC4) с температурой плавления 217 °C имеет лучшую смачиваемость и прочность паяных соединений, чем Sn96Ag4 [9].

Полное отсутствие свинца и увеличение олова примерно на 50% существенно увеличивает поверхностное натяжение бессвинцового сплава. Если для Sn60Pb40 оно составляет 481 мН/м, то для SAC4 — 548 мН/м. Это исключает действие механизма самовыравнивания компонента относительно контактных площадок при оплавлении паяльной пасты, что, в свою очередь, увеличивает потребность в использовании более точного, а значит, более дорогого оборудования для установки компонентов. Время смачивания сплава SnPbAg при температуре 245 °C составляет 8 мс, при 260 °C — 7 мс. Время смачивания припоя SAC4 при температуре 245 °C составляет 460 мс, при 260 °C — 10 мс. Поэтому необходимо использовать более мощные печи, более длительный нагрев, подвергать воздействию более высокой температуры печатные платы и компоненты. При этом необходимо помнить, что верхним пределом для большинства электронных компонентов является температура 250 °C [9].

Таким образом, для оплавления бессвинцовых паст требуются печи с существенно меньшей погрешностью поддержания температуры теплоносителя, а для исключения чрезмерного окисления пайку бессвинцовыми припоями рекомендуется осуществлять в азотной среде.

Использование бессвинцовых материалов отражается и на технологии контроля качества паяных соединений. Исходные причины и последствия следующие [10]: повышение вязкости паяльных паст, что повышает вероятность засорения отверстий в трафарете; ухудшение условий для формирования столбиков паяльной пасты, что приводит к необходимости введения контроля не только заполнения отверстий трафарета, но и контроля всего столбика паяльной пасты; повышение трудоемкости устранения технологических дефектов; увеличение вероятности повреждения печатного узла при ремонте; разрушение переходных металлизированных отверстий под воздействием более высокой температуры пайки; образование микротрещин по границе раздела «вывод — галтель припоя»; для выводов типа «крыло чайки» характерны пустоты на границе «вывод — галтель припоя».

Все перечисленные дефекты, как правило, нельзя обнаружить при простом визуальном контроле, они являются скрытыми и недопустимы для продукции ответственного назначения.

Таковы основные проблемы, связанные с технологией чисто бессвинцовой пайки.

Однако, как было сказано выше, на ряде предприятий уже возникает комплекс вопросов, связанных с применением так называемой смешанной технологии, при которой наряду с пастами на основе припоев SnPb или SnPbAg используются электронные компоненты и печатные платы, свободные от свинца.

В работе [11] сообщается, что пайка бессвинцовыми припоями компонентов с покрытием SnPb приводит к образованию пустот в паяных соединениях. Кроме того, образуются области, в лучшем случае содержащие эвтектический сплав SnAgPb с температурой плавления 179 °C вместо 221 °C, в худшем -эвтектический сплав SnPbBi с температурой плавления 96 °C. Области с пониженной температурой плавления проявляются менее чем через 400 температурных циклов. Образцы припоев SnAg4Cu0,5 с примесью свинца от 0,5 до 1% выдерживают 3252 (Pb 1%) или 6320 (Pb 0,5%) температурных циклов вместо 13 400 для чистого сплава [11].

При времени нагрева от температуры плавления припоя SnPb (эвтектический припой Sn, 37 вес. % Pb) до пиковой температуры 215 °C в течение 60, 90 или 120 с происходит полное его смешивание с припоем шариков корпусов BGA диаметром 0,5 мм. При этом надежность паяных соединений превышает надежность соединений, выполненных припоями SnPb и, по крайней мере, равна надежности соединений, выполненных чистым припоем SnAgCu. (Сплав, используемый для бессвинцовых шариковых выводов BGA и обозначаемый как SAC405: Sn; 4 вес. % Ag; 0,5 вес. % Cu.) При пайке корпусов BGA припоем SnPb с диаметром шариковых выводов 0,8 мм по тем же режимам не приводит к полному смешиванию с исходным бессвинцовым припоем SnAgPb. При этом надежность паяных соединений меньше, чем у соединений, выполненных чистыми припоями SnPb или SnAgCu. С увеличением времени пайки растет и надежность паяного соединения. При пайке корпусов BGA с диаметром шариковых выводов 1 и 1,27 мм, несмотря на отсутствие полного смешивания припоев SnPb и SnAgCu, надежность паяных соединений выше, чем у соединений, выполненных чистыми припоями SnPb или SnAgCu. Финишное покрытие печатной платы — OSP-медь (Organic Solderability Preservative) — показало лучшие характеристики, чем ENIG-покрытие (никель-золото). Однако повреждения паяных соединений находились практически всегда со стороны корпуса компонента и в объеме припоя. Никакой микроструктурной связи между поверхностным покрытием и улучшением надежности не было обнаружено [12].

Таким образом, полное смешивание припоев SnPb и SAC не является достаточным условием гарантии надежности. Для малых корпусов необходимо полное смешивание припоев и однородность микроструктуры, в то время как для больших корпусов полное смешивание припоя не обязательно для обеспечения приемлемой надежности паяного соединения.

Вполне уместно в рамках данной публикации напомнить об эффекте роста так называемых оловянных «усов» при использовании бессвинцовых припоев, который известен уже около 50 лет. Так, по данным автора статьи [13], эту проблему стали усиленно изучать в течение последних 10 лет в связи с использованием именно бессвинцовых технологий.

Известно, что оловянные «усы» — это монокристаллы, имеющие длину до нескольких миллиметров с поперечником от 1 до 10 мкм. Инкубационный период и скорость роста зависят от вида нанесения олова, основного материала, условий хранения (влажности, наличия кислорода, температуры), наличия легирующих примесей и толщины осаждения [14].

Испытания показывают, что при содержании свинца от 5 до 40% «усы» не возникают, хотя механизмы предотвращения их образования при разных концентрациях свинца различны. Именно по этой причине в Директиву RoHS ввели поправку о допущении 15% свинца в покрытии выводов компонентов с шагом менее 0,65 мм [15]. Справедливости ради следует отметить, что образование «усов» возможно при определенных условиях и на других материалах [16].

По некоторым данным препятствует образованию оловянных «усов» добавление в чистое олово золота и индия. Однако такие покрытия и припои дороги и имеют другие недостатки, влияющие на качество паяных соединений.

Испытания оловянных покрытий, нанесенных на медное основание с никелевой подложкой различной толщины, проводились следующим образом: сначала испытуемые образцы хранили в условиях окружающей среды в течение двух с половиной лет, затем они были подвергнуты 1000 температурных циклов, потом в течение двух месяцев их выдерживали во влажной среде с повышенной температурой. До начала испытания рост «усов» не наблюдался. Во время термоцикли-рования большое количество «усов» выросло на всех пробных образцах, однако их длина не превышала 50 мкм. Воздействие влажности с повышенной температурой прибавило количество «усов» и увеличило их длину до 200 мкм. Воздействие условий окружающей среды после завершения испытания не повлияло на рост «усов». Контрольные образцы из той же партии с аналогичным покрытием, хранившиеся четыре года, не показали роста «усов» [17].

Таким образом, никелевый барьерный слой не влияет на рост «усов» при последовательном испытании на воздействие условий окружающей среды. В условиях влажности с повышенной температурой никелевая подложка способствует образованию самых длинных «усов». Между длинами и диаметрами усов отсутствует корреляция. «Усы» имеют слабо выраженную тенденцию к росту перпендикулярно поверхности. Более тонкая никелевая подложка создает меньшее количество «усов». Средняя длина «усов» выше на образцах с более тонким оловянным покрытием, хотя максимальная длина «усов» не имеет взаимосвязи с толщиной покрытия [17].

Выводы

В настоящее время использование бессвинцовых технологий монтажа приводит к необходимости решения ряда проблем, сопровождающихся снижением прибыльности производства и надежности электронных приборов.

Смешанная технология монтажа электронных приборов, применение которой обусловлено отсутствием необходимой отечественной элементной базы, как правило, приводит к снижению качества паяных соединений по сравнению с традиционной свинцовой или полностью бессвинцовой технологией.

Для применения бессвинцовых технологий в производстве электронных приборов военного и космического назначения необходимо ускорить проведение комплекса исследований по гарантированному исключению роста оло-вянных «усов» и повышению качества паяных соединений. ^^

Литература

1. Шапиро Л. Новые европейские директивы для изделий электроники // Производство электроники. 2006. № 2.
2. Ши К., Браун С. Бессвинцовая сборка — первые результаты // Производство электроники. 2007. № 5.
3. Вотинцев А. Современные материалы для бессвинцовой технологии // Производство электроники. 2006. № 2.
4. Компания Koki помогает сократить расходы производителей бессвинцовых сборок —http://elinform.ru/news_1077.htm
5. Штенников В. Н. Материал для жал паяльных станций // Компоненты и технологии. 2004. № 7.
6. Штенников В. Н. Форсированный разогрев паяльного инструмента // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
7. Штенников В. Н. Рекомендации по уточнению положений международного стандарта IEC (МЭК) 61192-1 «Процесс пайки» // Технологии в электронной промышленности. 2009. № 7.
8. Штенников В. Н. Опыт предприятия по изучению разогрева паяльных стержней после пайки // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
9. Левданский А. Изменение технологического процесса при переходе на бессвинцовую пайку // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 1.
10. Гафт С., Матов Е. Выбор стратегии контроля в условиях перехода к бессвинцовым технологиям // Поверхностный монтаж. 2005. № 6-7.
11. Щеголева И. Компания AIM решает проблемы перехода на бессвинцовую пайку // Производство электроники. 2006. № 2.
12. Kinyanjui R. Solder loint Reliability of Pb-free SnAgCu Ball Grid Array (BGA) Components in SnPb Assembly Process. Proceedings APEX, 2008.
13. Жанг В., Нвагер Ф. Функция свинца для предотвращения образования «усов» в покрытиях из олова // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 8.
14. Whitlaw K., Crosby l. Proceedings of the 2002 Aexf Sur / Fin Conference. 2002.
15. Ран А., Дием Р. Бессвинцовое производство — компоненты и покрытия // Производство электроники. 2006. № 2
16. Chudnovsky B. H. Degradation of Power Contact in Industrial Atmosphere: Silver Corrosion and Whiskers // Proc. 48th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2002.
17. Panashchenko L., Osterman M. Examination of Nickel Underlayer or a Tin Whisker Mitigator. IEEE Electronic Components and Technology Conference, San Diego, CA. May 2009.