ТЕСТИ СПЛАВІВ, ЯКІ ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ПРИ СЕЛЕКТИВНІЙ ПАЙЦІ

04.04.2023 |

Не всі сплави, придатні для пайки оплавленням, можуть бути успішно використані для селективної пайки.

Сплави, що містять Cu і Ni, мають тенденцію забивати сопло

Найважливіше

Команда ITW EAE, голландський виробник обладнання для монтажу електроніки, опублікувала статтю про вибір сплаву припою для процесу селективної пайки. Основні висновки статті (подробиці дивіться нижче):

Не всі сплави, придатні для пайки оплавленням, придатні для селективної пайки. Особливий ризик пов’язаний з використанням сплавів, що містять у складі Cu і Ni. Частинки (Cu,Ni)6Sn5 або Cu6Sn5 можуть утворювати мікроструктури і, не розчиняючись у припої, відокремлюватися від припою, а потім змішуватися з залишками і забивати сопло. Це явище спостерігалося для сплавів, які мають багатий склад мікродобавок і відносно високий відсоток Cu та/або Ni у складі.

Для низькотемпературних припоїв рекомендується ретельно розігріти паяльну ванну та насадку перед початком виробництва. Якщо деталі машини занадто холодні, припій швидко застигає і має тенденцію забивати сопло. Поганий потік припою стає нестабільним, доки машина повністю не прогріється.

Для компонентів з малим кроком деякі сплави більш чутливі до відкритих з’єднань. Для отримання гарного змочування температура пайки повинна бути значно вищою за температуру плавлення, рекомендовано перевищувати ліквідус навіть на >50°C.

Надлишок припою спостерігався для компонентів із кроком 1,27 мм із короткими виводами. Надмірні паяні з’єднання спостерігалися в першу чергу на останніх контактах роз’єму. Щоб уникнути перемикання компонентів з малим кроком, було необхідним у всіх випадках використовувати азотний ніж.

Для досягнення хорошого заповнення отворів основними параметрами є час контакту та температура пайки. Не спостерігалося великої мінливості між різними припоями. Якщо температура пайки була приблизно на 80°C вище точки плавлення, а робоча швидкість була відносно низькою, усі сплави, використані в експерименті, могли спаяти тестові плати з ідеальним заповненням отворів. Менша швидкість забезпечує довший час контакту і, отже, краще змочування.

Подробиці

Команда ITW провела випробування з використанням семи сплавів, згрупованих у три категорії: експериментальні низькотемпературні сплави (ще не продаються), стандартні сплави та сплави для складних застосувань, а їхні технічні параметри можна знайти нижче. Також було використано кілька тестових плат, пристосованих для тестування різних аспектів селективного паяння: на додаток до «стандартної» компоновки також спаяли друковані плати з компонентами з малим кроком і компонування з надвисокою термічною масою. Деталі експерименту можна знайти у оригіналі статті «Solder alloy contribution to robust selective soldering process», Gerjan Diepstraten, © ITWEAE, Oosterhout, Netherlands

Таблиця: Характеристика сплавів, використаних в експерименті

Низькотемпературні сплави Низькотемпературні припої Сплави для складних застосувань
A: Sn28BiX B: Sn37BiY C: Sn2.0Bi0.7

Ag0.7Cu

D:

Sn3.0

Ag0.5Cu

E:

Sn3.8Ag3.0

Bi0.7Cu 1.4

Sb0.15Ni

F: Sn3.0Ag2.5

Bi0.7Cu0.6

Sb0.05Ni

G: Sn1.5Bi0.7

Cu0.05NiGe

Температура плавлення °C 139-190 139-174 208-215 217-220 206-218 210-219 221-225
Електропровідність Омм 0.242 0.29 0.156 0.132 0.152 0.14
Питома вага кг/м³ 786 810 738 738 745 744 740
Теплопровідність Вт/мK 36 30 82 58 55 66 54

*автори наголошують, що використані в експерименті низькотемпературні сплави знаходяться на стадії випробувань і на даний момент відсутні в продажу

Результати пайки стандартної плати

Сплав Результати
Сплав A Сплав забезпечує хороші результати пайки при температурах >240°C. При температурі пайки 270°C результати припою такі ж або кращі, ніж Sn3.0Ag0.5Cu при 300°C. Нижча температура процесу корисна для матеріалів, які використовуються у виробництві друкованих плат і компонентів (матеріали плат і пластик компонентів можуть мати нижчі значення Tg (температура скловання)).
Сплав B Цей сплав був розроблений для пайки оплавленням. Під час експериментів було помічено, що на початку, коли всі деталі ще не добре нагріті, сплав має тенденцію забивати сопло: припій застигає і погано тече. Дефект зникає лише при підвищенні температури і збільшенні частоти хвилі
Сплав C Цей сплав можна порівняти зі сплавом Sn3.0Ag0.5Cu, і його результати паяння дуже схожі. Під час експериментів не було виявлено жодних проблем. Однак слід підкреслити, що цей сплав містить 2% Bi, що знижує температуру солідусу.
Сплав D Випробування показали відмінне змочування цього сплаву. Усі експерименти з паянням та інші випробування, такі як висота хвилі та випробування текучості, тривали два тижні для кожного сплаву. Протягом цього періоду технічне обслуговування не проводилося. Лише в кінці зняли шлаки для порівняння об’ємів. Цей сплав містив більше шлаку, ніж інші. Деякі з нових сплавів містять антиоксиданти, Sn3,0Ag0,5Cu не мають антиоксидантів.

Результати паяння плати, адаптованої до аналізу змочування отворів

Сплав Результати
Сплав E Результати сплаву E перевищили результати основного сплаву Sn3.0Ag0.5Cu. Вища температура та менша швидкість руху забезпечують довший час контакту та краще змочування. Швидкість руху менш значна, коли температура припою становить 300°C. При вищих температурах отвори заповнюються краще, навіть при вищих робочих швидкостях.

Сплав має шість елементів, і його склад важко контролювати у великій ємності для припою. Коли ванна для пайки ретельно очищена і припій має правильну температуру, проблем немає. Однак через деякий час сплав втрачає свій початковий склад і має властивість засмічуватися.

Сплав F Цей сплав містить ті ж елементи, що й сплав Е, але в інших пропорціях. У результаті він має дещо інший діапазон плавлення та поводиться по-іншому: на деяких перевірених друкованих платах спостерігалося незначне заповнення отворів. Інша ситуація у випадку зі звичайною друкованою платою, де результати пайки були відмінними навіть при 270 °C.
Сплав G На відміну від інших високонадійних сплавів, цей не містить у складі Ag. Отже, в об’ємі припою відсутні частинки інтерметалічної сполуки Ag3Sn. Цей сплав має трохи вищу температуру плавлення. Тому температура припою 300°C є лише перегріванням на 40°C. Для цього сплаву 280 і 310°C було б більш справедливим порівнянням з іншими. Тим не менш, змочування припою все одно хороше.

 Результати пайки компонентів з малим кроком

Мініатюризація — ще одна тенденція в збірці друкованих плат, яка також впливає на проблеми селективної пайки. На ринку доступні компоненти з відстанню між виводами лише 1,00 мм. Щоб дослідити вплив сплаву на паяння компонентів з малим кроком була розроблена спеціальна тестова плата з різними розмірами отворів і контактних площадок. З усіх сплавів можна належним чином паяти виводи з кроком 1,27, 1,50 і 2,00 мм без перемичок, якщо для видалення перемичок використовувався азотний ніж. Звичайно, потік азоту мав бути вищим для компонентів з малим кроком. Мости можна було ліквідувати, але спостерігалося два негативних явища:

  • Для сплавів A і B з низькою температурою плавлення утворювався дефект відкритих з’єднань при більш низьких температурах і високих робочих швидкостях.
  • У деяких випадках автори експерименту спостерігали занадто великий паяний шов у випадку виводів з малим кроком 1,27 мм. Це було в першу чергу зі сплавом E, але також рідше зі сплавами F і G. Цікаво, що надто велика кількість припою завжди відбувалося на останніх контактах у певному проході сопла. Відповідно до стандарту IPC-A-610, надмірне накопичення припою є дефектом, а штифт має бути видно в масі припою.

Результати паяння плати з високою тепловою масою

Всі сплави (крім сплаву А) використовувалися для пайки плати з високою тепломасою. Плата мала 8 шарів Cu та покриття ENIG. Плати паяли при температурах 270 і 300°C, тоді як у випадку низькотемпературного твердого припою B температури пайки становили 240 і 270°C.

Як зазначалося раніше, при більш низьких температурах низькотемпературні сплави мають тенденцію забиватися, однак із підвищенням температури заповнення отворів також стає ідеальним для друкованих плат із високою температурою нагріванням. Під час попереднього нагрівання тестова плата була нагріта до 110°C, що призвело до значно нижчого падіння температури під час заповнення отвору, ніж у інших сплавів з вищою температурою плавлення.

Підводячи підсумки цієї частини експерименту, автори лише звернули увагу на той факт, що сплав A – і певною мірою також сплав F – чудово працює при вищій температурі пайки і гірше при нижчій.

Джерело: «Solder alloy contribution to robust selective soldering process», Gerjan Diepstraten, © ITWEAE, Oosterhout, Netherlands

За матеріалами сайту https://tek.info.pl