У зв’язку з закінченням терміну дії винятків RoHS на ринку SMT може з’явитися безліч нових припоїв.
Автор оригіналу: Тім О’Ніл (Tim O’Neill), менеджер з технічного маркетингу AIM
Трохи історії
Я чудово пам’ятаю момент із 1994 року, коли під час співбесіди при прийомі на роботу я намагався запам’ятати зображення періодичної таблиці та абревіатури олова (Sn) та свинцю (Pb). Звісно, це було нелегке завдання, оскільки обидві абревіатури походять від латинських коренів: олово від слова «stannum», а свинець від «plumbum». Під час співбесіди я назвав неправильну абревіатуру титану (Ti) і навіть відомого неіснуючого елемента необтаїнію (Uo). Ми з моїм співрозмовником тоді повністю заплуталися – тоді в електроніці використовувався, в основному, один сплав: Sn63/Pb37. Лише в кількох спеціалізованих додатках використовувалися сплави з невеликим відсотком срібла (Ag) у припоях SnPb, а кілька старожилів не відмовлялися від 60/40 SnPb, але загалом переважну більшість ринку становив евтектичний олов’яно-свинцевий припій.
Запровадження директиви RoHS у 2006 році ознаменувало початок ери пайки без використання свинцю. Були значні дебати та хвилювання щодо того, який сплав замінить надійний SnPb. Потрібно було взяти до уваги надійність, відповідність процесу та витрати. У результаті дискусії щодо вступу в силу директиви RoHS сплав без вмісту свинцю, що складається з олова, срібла (3,0%) і міді (0,5%), відомий як SAC305, став галузевим стандартом. Це було визначено такими його характеристиками, як прийнятна стійкість до термічної втоми, низька температура плавлення порівняно з іншими сплавами, які розглядалися на той час, і хороша відповідність сформованому на той час ланцюгу постачання металів, які використовувалися для обробки виводів компонентів і друкованих плат.
Сплав SAC305: стандартний, але не без недоліків
Однак це аж ніяк не була безпроблемна зміна, оскільки супроводжувалася такими проблемами:
- Висока вартість срібла, втричі вища ціна припою порівняно з Sn/Pb.
- Розчинення міді в утворених сплавах.
- Сумісність обладнання.
- Недостатня стійкість до ударів, викликаних падінням.
- Наявність мікротріщин або інших дефектів
- Нижча ефективність змочування порівняно з SnPb.
- Явище росту олов’яних вусів.
- Нестабільні механічні властивості внаслідок старіння.
Малюнок 1: Зростання олов’яних вусів на сплаві SAC305.
У міру поширення використання SAC305 ці недоліки ставали все більш очевидними, викликаючи загальне невдоволення. У результаті вже в середині 2000-х років почався активний пошук альтернативних рішень відомих і передбачуваних проблем. У багатьох випадках основною проблемою була вартість матеріалів, особливо для чутливої до витрат «одноразової» споживчої електроніки, яка, через нижчі вимоги до надійності, була націлена на те, щоб першою перейти на пайку без свинцю. Сплави без вмісту срібла для паяння через отвір швидко закріпилися в цих сферах застосування.
У багатьох випадках, коли компоненти THT були спаяні, збільшення вартості SAC305 становило більшу частину вартості готової продукції – тому можливе зниження вмісту срібла означало значну економію коштів.
Альтернативи
При паянні хвилею температура процесу приблизно однакова незалежно від точки плавлення сплаву, який використовується, – для роботи з SAC305, SnCu, SN100C і багатьма альтернативними сплавами на основі олова можна використовувати тигель з температурою 500°F (260°C) або паяльник з температурою 700°F (370°C). Тому багато процесів пайки THT були в основному байдужими до сплаву, який використовувався, широкий спектр сплавів швидко набув широкого поширення, причому SAC305 був замінений на SN100C, SACX, K100LD та/або SnCu3 у багатьох чутливих до вартості застосуваннях. Однак поверхневий монтаж та самі паяльні пасти були набагато менш чутливими до змін сплаву з двох основних причин:
- На відміну від пайки THT, процес SMT має багато обмежень, найбільшою проблемою з яких є пікова температура оплавлення.
- На відміну від пайки хвилею, при якій лише частина системи піддається впливу високих температур, багато матеріалів, що використовуються в технології SMT, не змогли витримати високі температури процесу, необхідні для належного розтікання пасти SAC305. Викривлені плати, деформовані роз’єми та компоненти, схожі на попкорн, стали звичним явищем. SAC305 починає плавитися при температурі 217°C і повністю не плавиться до 221°C. Альтернативні сплави, які легко завоювали популярність у паянні THT, мають точку ліквідусу ближче до 227°C і, крім того, змочують повільніше, ніж SAC305, що призводить до ще більш тривалого процесу оплавлення та при вищій температурі, ніж SAC305.
Вплив додавання 3% срібла на вартість монтажу SMT є незначним у порівнянні з його впливом на вартість пайки хвилею. SAC305 не викликає жодних технологічних проблем і характеризується високою надійністю – таким чином, він залишається світовим стандартом у процесі пайки оплавленням.
Чи може це змінитися?
Термін дії винятків, включених до директиви RoHS, уже закінчився, і ринок також зіткнувся з різким збільшенням кількості вимогливих додатків для транспортування та Інтернету речей. Через вимоги процесу та, меншою мірою, вартість, схоже, що ринок сплавів для поверхневого монтажу зазнає фрагментації, подібної до тієї, що спостерігається у випадку припоїв із наскрізними отворами.
Сплави SAC з високим вмістом срібла (>3%) демонструють слабку стійкість до механічних ударів порівняно зі сплавами з меншим вмістом срібла. На мал. 2 зображено великі срібні «плати», нерівності в структурі припою, які знижують його надійність. Це, звичайно, небажані властивості, і вони викликають велике занепокоєння у проектувальників та інженерів, які розробляють переносні пристрої або системи, що працюють у складних умовах (наприклад, автономні транспортні засоби).
Малюнок 2: Несправні з’єднання на основі SAC305
Однією з основних слабких сторін сплавів SAC є їх фізичні властивості. Зерниста структура SAC305 з часом «потовщується», послаблюючи паяне з’єднання. На мал. 3 показано ефект термічного старіння та потовщення зернистої структури SAC305, що спричиняє погіршення механічних властивостей, послаблюючись із кожним термічним циклом і навіть призводячи до розпаду припою.
Малюнок 3: Вплив теплового старіння та потовщення зернистої структури SAC305
У пошуках вирішення цих проблем виробники припоїв постійно впроваджують нові інновації. Оскільки наступні винятки, що містяться в директиві RoHS, закінчуються, на ринку з’являються нові варіанти, такі як сплави, що містять вісмут або інші домішки.
Вісмут (Bi) вже має довгу історію на ринку припоїв. Він знижує температуру плавлення припою, покращує змочування, стабілізує структуру зерна припою, а також відносно недорогий. Ці функції усувають основні недоліки багатьох безсвинцевих припоїв, які є на сьогоднішньому ринку.
Враховуючи ці переваги, виникає закономірне запитання: чому вісмут не використовувався з самого початку? При певному вмісті вісмуту цей метал з’єднується зі свинцем, утворюючи трикомпонентний сплав з температурою плавлення 97°C. Коли система нагрівається, низька температура плавлення паяного з’єднання може спричинити його плавлення та витік, що спричинить численні проблеми з надійністю. Тепер, коли основна збірка друкованих плат відповідає вимогам RoHS, а свинець практично виключений з майже всіх збірок, додавання вісмуту до сплавів припою стало життєздатним і дуже привабливим варіантом.
Окрім вісмуту, з’являються домішки інших елементів, що створює перспективу підвищення продуктивності нових безсвинцевих сплавів. Такі елементи, як цинк (Zn), германій (Ge), марганець (Mn) і нікель (Ni), з’являються в сплавах, покращуючи їх обрані параметри.
Що далі?
Коли і як припиниться поширення альтернативних сплавів і як це вплине на загальну практику монтажу друкованих плат? Зараз важко передбачити, який сплав або комбінація сплавів назавжди доповнить або навіть замінить сімейство SAC. Проте зрозуміло, що робота над сплавом, призначеним для усунення недоліків сплавів SAC, які зараз використовуються, продовжуватиметься. Оскільки все більше застосувань вимагають специфічних властивостей припою, очікується, що ринок сплавів для поверхневого монтажу буде продовжувати дробитися, нагадуючи процес з еволюцією ринку сплавів для паяння хвилею.
Незалежно від того, чи було це пов’язано з технологією, економікою чи регулюванням, монтаж друкованих плат постійно розвивається з моменту свого створення. Інновації визначають галузь, а новими технологіями керує бажання досягти результатів, які колись вважалися недосяжними.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнуть
Твитнуть