Припой без свинца для пайки: Контрактное производство электроники — Контракт Электроника

Контрактное производство электроники — Контракт Электроника

Замена традиционных типов припоев на материалы, не содержащие свинца, является не только веянием времени, но и требованием многочисленных международных комиссий по экологии. В статье рассмотрены свойства различных типов бессвинцовых припоев, даны рекомендации по их применению.

Версия в PDF (909Kb)

Среди термических, механических, усталостных и других свойств припоев одним из самых важных является температура плавления. В таблице 1 представлены некоторые из широко известных типов бессвинцовых припоев [1].

Следует отметить, что продолжается работа по оптимизации составов бессвинцовых припоев для достижения ими необходимых свойств. По этой причине составы припоев, приведенных в таблице 1, могут время от времени несколько отличаться от серийно производимых припоев. Например, в таблице 2 показаны торговые марки некоторых серийно производимых припоев различных производителей.

Бессвинцовым припоям с высоким содержанием индия (например, первому из припоев в таблице 2) свойственна несовместимость материалов индия и свинца, независимо от того, присутствует ли последний на поверхности печатной платы или на выводах компонентов. Для реализации полностью бессвинцового процесса в некоторых случаях (например, при использовании сплавов, содержащих индий) необходимо задействовать бессвинцовое покрытие паяемых поверхностей печатного монтажа и выводов компонентов.

Таблица 1. Примеры некоторых бессвинцовых припоев и их свойства [1]

Из таблицы 1 видно, что бессвинцовые припои характеризуются либо слишком низкой, либо слишком высокой температурой плавления по сравнению с эвтектическими свинцово-

оловянным припоями. В таблице 2 приведены, в основном, бессвинцовые припои с высокой температурой плавления.

При использовании низкотемпературных припоев необходим специальный флюс, поскольку стандартный флюс при низких температурах малоактивен. Еще одним ограничением, связанным с низкотемпературными припоями, является уменьшение их смачивающих свойств, вызванное пониженной текучестью при субэвтектических температурах.

Для низкотемпературных применений определенное признание получили припои, содержащие индий. Так, многими компаниями используется припой, содержащий 52% 1п и 48% Бп, поскольку он обеспечивает лучшие характеристики при повторной пайке в процессе ремонта или переделки. Поскольку температура плавления этого припоя составляет 244°Р (118°С), повторная пайка при более низкой температуре может производиться многократно без риска теплового повреждения. Если печатные линии платы покрыты золотом в качестве антиоксиданта, то использование припоя с индием предотвращает выщелачивание золота [2].

Еще одним бессвинцовым припоем с низкой температурой плавления является припой 42 Бп/58 Ы. Если посмотреть на фазовую диаграмму припоя БпЫ, то можно увидеть, что температура плавления находится на

уровне 138°С. Висмут используется в паяльных сплавах для достижения низких температур плавления, но висмутсодержащие сплавы обычно имеют плохие характеристики смачивания.

Многие другие сплавы, представленные в таблице 1, обладают более высокой температурой плавления, чем свинцово-оловянный эвтектический сплав с температурой плавления 183°С. Это, например, цинк-оловянный высокотемпературный бессвинцовый припой с температурой плавления 198°С.

Высокотемпературные припои несовместимы с широко распространенными материалами для изготовления печатных плат, такими как РИ-4. Помимо этого, более высокие температуры при повторной пайке могут увеличить риск повреждения платы.

В настоящий момент не существует бессвинцовых припоев, полностью заменяющих свинцовосодержащие, хотя некоторые производители описывают свои припои как «почти идентичные» [3]. Даже в этом случае для повторной пайки требуется температура жала паяльника 400°С. Для некоторых применений эта температура может оказаться слишком высокой и вызвать тепловое повреждение.

Одной из ключевых проблем использования высокотемпературных припоев, представленных в таблицах 1 и 2 при пайке волной, является повышение риска пробоя конденсаторов. При пайке волной следует поддерживать температуру в диапазоне 230…245°С, что на 45…65°С выше температуры плавления оловянно-свин-цового припоя. Бессвинцовый припой с температурой плавления 220°С потребует при пайке волной температуры 265…280°С. Это увеличивает разницу температур между предварительным нагревом и пайкой волной и, соответственно, повышает риск повреждения конденсаторов.

В целом, почти все бессвинцовые припои имеют меньшую смачиваемость (текучесть), чем эвтектические оловянно-свинцовые, и потому первые из них хуже заполняют необходимую площадь. Для улучшения текучести требуются специальные составы флюсов. Усталостные характеристики бессвинцовых припоев также недостаточно хороши, хотя в одном

Таблица 2. Примеры бессвинцовых припоев различных производителей (с любезного разрешения Dr. Raiyoman Aspandiar, Intel Corporation)

из исследований не наблюдалось нарушения целостности паяного соединения после испытания термическим циклом для высокотемпературного припоя 96,5 Бп/3,5 Ag (последний сплав в таблице 1) [4].

В идеале температура плавления выбранного припоя должна составлять около 180°С, так чтобы для оплавления использовалась температура 210…230°С; для пайки волной — 235…245°С, а для ручной пайки — 345…400°С. Более высокие температуры ручной пайки могут использовать только высококвалифицированные

монтажники во избежание теплового повреждения.

В спецификации J-STD-006, разработанной IPC, приведен подробный список оловянно-свинцовых и бессвинцовых припоев. Однако ни один из бессвинцовых припоев не считается полной заменой эвтектического оловянно-свинцового. В настоящее время ведутся исследования по разработке бессвинцового припоя, который станет полноценной заменой упомянутому выше оловянно-свинцовому. Это насущное требование, которое неизбежно следует учесть.

Литература

1. Socolowski, Norbert. Lead free alloys and limitations for surface mount assembly. Proceedings of Surface Mount International, 1995, pp. 477—480.

2. Keeler, R. Specialty solders outshine tin/lead in problem areas. EP&P, July 1987, pp. 45—47.

3. Seelig, Karl. A study of lead free solder alloys. Circuit Assembly, October 1995, pp. 46 — 48.

4. Melton, Cindy. How good are lead free solders. SMT, June 1995, pp. 32—36.

Статья подготовлена no материалам сайта www.rayprasad.com

« Современные материалы для бессвинцовой технологииБессвинцовые технологии монтажной пайки. Что нас ожидает? »

Бессвинцовый припой: характеристики, температура плавления, состав

К разряду бессвинцовых припоев относятся те материалы, которые не имеют в своем составе свинца. Изначально использование подобной технологии было предпринято в экологических целях, так как этот металл относится к вредным для окружающей среды и здоровья человека. Стоит отметить, что марки, в которых нет только свинца, но при этом содержится ртуть и кадмий, не относятся к бессвинцовым. Самым простым примером является оловянный припой без свинца, в  котором содержится только чистое олово. Благодаря этому он получает повышенную смачиваемость и у него повышается электропроводность. Чтобы бороться с некоторыми недостатками, которыми обладает бессвинцовый припой из чистого олова, к нему добавляют такие элементы, как золото, серебро, медь и прочее. Это помогает сделать состав более твердым, не используя при этом свинец. При этом возрастает температура плавления, что ограничивает спектр применения подобных материалов.

Бессвинцовый припой

Этот относительно новая разновидность, разработки которой ведутся. Ведь пока не удалось найти альтернативу, которая бы полностью заменила стандартные виды припоев и превзошла их по всем параметрам. Пока количество недостатков, в практическом плане, превышает количество преимуществ, но главной целью здесь является безвредность. К примеру, для пищевой промышленности, где идет непосредственный контакт с человеком. Здесь уровень безопасности стоит выше качества соединения. Припой без свинца производится по ГОСТ 21931-76. Одними из самых популярных разновидностей являются те, в которых дополнительно содержится серебро.

Преимущества

• Безопасность использования, а также отсутствие токсических элементов;
• Высокая электропроводность;
• В чисто оловянных сплавах наблюдается хорошее смачивание;
• Широкий выбор вариантов марок;
• Сплавы с медью имеют высокую температурную стойкость.

Недостатки

• У сплавов олова с другими металлами понижается смачиваемость, в сравнение со свинцовыми;
• Нет возможности использовать в электронике, несмотря на высокую электропроводность, так как во время термоциклирования здесь образуется рост «усов» и появляется интерметаллическая поверхность, на которой потом возникают трещины;
• Температура плавления бессвинцового припоя является относительно высокой, как для пайки, что не позволяет использовать его для тонких металлов и чувствительных к термообработке.

Разновидности

С содержанием меди. Эта разновидность была создана для того, чтобы спаивать печатные платы. Это осуществляется волной припоя. Но он имеет более низкие механические качества в наплавленном состоянии, если сравнивать с другими разновидностями. Также не всегда требуется столь высокая температура плавления.

Бессвинцовый припой с содержанием меди

С содержанием серебра. Припой оловянный бессвинцовый является одной из самых популярных разновидностей. Они обладают высокими качествами спаивания, а также хорошими механическими характеристиками в наплавленном состоянии. Температура плавления их достигает более 220 градусов Цельсия. Это один из немногих вариантов, надежность которого может конкурировать со свинцовыми припоями.

Бессвинцовый припой с содержанием серебра

Многосоставный сплав меди, серебра и олова. Трехкомпонентный состав применяется долгое время, так как он был изобретен еще до появления серебряных припоев. У него более низкая температура плавления. Большую часто состава занимает олово, которое достигает более 90%. Здесь наблюдается хорошее свойство спаивания, а также повышенная крепость соединения. Исходя из экономических соображений, он является наиболее выгодным.

Висмут, серебро и олово. В нем наиболее низкая температура плавления, что улучшает способности к спаиванию, но понижает температурный предел эксплуатации. Спаивание у него наиболее высокое среди бессвинцовых разновидностей, тогда как смачиваетесь не всегда себя хорошо проявляет.

Химический состав

Выделяется несколько примеров содержание элементов в сплаве относительно металла, который используется как добавка, хотя в каждой марке оно может быть свое.

Технические характеристики популярных марок

Тип припоя	Фирма производитель	Состав сплава, %	Максимальная температура плавления, градусы Цельсия	Особенности применения
Indalloy 227	Arconium Specialty Alloy	77,2 – олово; 20 – индий; 2,8 – серебро.	187	Для бессвинцовых покрытий и печатных плат.
Alloy H	Alpha Metals	84,5- олово ; 7,5 – висмут; 5 – медь; 2 – серебро.	212	Во время пайки волной требуется повышенная температура, чтобы расплавить состав (около 260 градусов Цельсия). Несовместим со свинцом и индием.
TinZinc Indium	AT&T	81 – олово; 19 – цинк.	178	Применяется только для тех покрытий, которые не имеют в своем составе свинца.
				Используется для пайки контактных площадок в печатных платах, а также для выводов в микросхемах
Castin	AIM Products U.S. Deptartament of Energy	96,2 – олово; 2,5 – серебро; 0,8 – медь; 0,5 – Сурьма.	215	Во время пайки волной требуется повышенная температура, чтобы расплавить состав.
Tin-Silver -Copper	AIM Products U.S. Deptartament of Energy	93,6 – олово; 4,7 – серебро; 1,7 – медь.	217	Для обработки нужно использовать температуру выше 260 градусов Цельсия.

Особенности выбора

Выбор подходящей марки зависит от состава бессвинцового припоя.

«Важно!

Если нет подходящего варианта, то иногда применяют в качестве заменителя отечественную марку ПСР 45, которая содержит всего 0,5% свинца.»

В большинстве случаев олово занимают основное место в составе, так что его характеристики больше всего влияют на общие свойства. Чем его больше, тем мягче будет проходить спаивание, но будет ниже крепость соединения. Также у него ниже температура плавления. Материал в итоге получается очень мягким.

Повышение количества меди в составе увеличивает температуру плавления и твердость. Ее зачастую немного, но даже нескольких процентов вполне достаточно, чтобы изменить характеристики состава. Серебро также повышает температуру плавления и крепость, но делает это более мягко. Его наличие в составе позволяет повысить качество шва без особых негативных моментов, но он же влияет и на стоимость марки. Следует обратить внимание, что существуют также добавочные материалы, как висмут, сурьма и прочие. Они предназначаются для особых случаев спаивания, которые требуются в производстве и не всегда нужны в частной сфере. Как правило, они имеют более высокую стоимость.

Особенности пайки

У многих может возникнуть вопрос, как паять бессвинцовым припоем. Здесь нет больших отличий от стандартной процедуры. Требуется подготовить поверхность металла, расплавить припой и нанести его на спаиваемую часть. Затем нужно дать остыть и проверить качество соединения. Особенностью является температура пайки бессвинцовым припоем, так как она ниже и соответственно, подогрев должен производиться в другом режиме.

Популярные фирмы производители

Данная продукция производится следующими компаниями:

• Castolin;
• Chemet;
• Asahi;
• KingBo;
• MasterTool.

Что такое бессвинцовая пайка? ｜ Бессвинцовая пайка ｜ Припой ｜ Продукция ｜HAKKO

• Что такое бессвинцовая пайка?
• Какое решение для успешной пайки бессвинцовым припоем?

Почему бессвинцовый припой стал популярным?

В 1990-х годах была выявлена ​​проблема, заключающаяся в том, что свинец (Pb), содержащийся в материалах для пайки (таких как Sn-Pb) отходов электронных компонентов, вытапливался кислотными дождями и загрязненными грунтовыми водами. С тех пор исследования бессвинцовых припоев продолжаются. С 2000 года под руководством крупных производителей электрооборудования бессвинцовый припой начал внедряться в практическое применение. Использование бессвинцовых припоев стало распространенным явлением из-за растущей глобальной тенденции в отношении экологических проблем, таких как директива RoHS (ограничение на использование опасных веществ, которое будет введено в действие Европейским Союзом с 1 июля 2006 г. ).

Что сложного в использовании бессвинцового припоя?

Рассмотрим характеристики бессвинцового припоя.

1. Плохая паяемость

Недостаток свинца (Pb) снижает текучесть припоя, что приводит к плохой пайке. Это проблематично не только для нацеливания на P.W.B. или комплектующих, но и для жал паяльников.

2. Более высокая температура плавления

Как правило, температура плавления бессвинцового припоя на 20–45 ℃ выше, чем у обычного эвтектического припоя. (Популярный тип содержит примерно 40% свинца.)

Предположим, например, что паяльник настроен на температуру 340 ℃ для использования эвтектического припоя (Sn-Pb). Если эвтектический припой заменяется бессвинцовым припоем (Sn-0,7Cu), паяльник должен быть установлен примерно на 380 ℃, что близко к максимальной температуре для пайки. Такая высокая температура также приводит к сокращению срока службы наконечника (из-за окисления или эрозии), коксованию флюса в припое и разбрызгиванию флюса и припоя. (Говорят, что использование бессвинцового припоя снижает срок службы наконечника в 4-5 раз по сравнению с эвтектическим припоем.)

Кроме того, многие недавно разработанные устройства чувствительны к теплу. Бывают случаи, когда высокая температура плавления влияет не только на железные наконечники, но и на устройства и P.W.B.

Тогда при реальном использовании какие проблемы возникают в месте пайки?
После перехода на бессвинцовый припой сообщалось о следующих проблемах пайки:

• Неправильное количество припоя
• Перегрев и растрескивание
• Отходит припой
• Смоляной шарнир или выступ-сосулька
• Мост

Кроме того, потребуются дополнительные затраты, поскольку железные наконечники необходимо заменять чаще.

不良なはんだ付けの状態

• Недостаточно припоя
• Слишком много припоя
• Перегрев
• Крекинг
• Отходит припой
• Мосты
• Соединение из смолы
• Выступ-сосулька

Мы также показываем здесь пример отказа пайки.

Припой

со свинцом и без свинца: что лучше?

Освинцованный и бессвинцовый припои: что лучше?

Опубликовано 1 января 2022 г. сотрудниками EPTAC

Свинцовый припой десятилетиями был предпочтительным материалом для производства электроники из-за его низкой стоимости, более низкой температуры плавления и простоты использования. Тем не менее, существует повышенная обеспокоенность по поводу воздействия свинцового припоя на здоровье и окружающую среду, особенно при использовании в электронике. В 2006 году Европейский Союз запретил некоторые опасные вещества в электронных продуктах, включая свинец. За последние два десятилетия в мире производства электроники произошло динамичное развитие альтернативных материалов для пайки, в основе которых лежит металлическое олово, при этом производители перешли на бессвинцовые альтернативные припои, чтобы исключить свинец из электронного производства. Но каков правильный выбор? Что лучше для производства электроники: свинец или бессвинцовый припой?

Бессвинцовый припой по сравнению с этилированным припоем
Как правило, этилированный припой состоит из олова и свинца. К преимуществам использования освинцованного припоя относятся: легкость доведения до рабочей температуры, ударопрочность, меньшее количество внутренних дефектов в конструкции после охлаждения. Однако свинец вреден для организма, так как легко усваивается.

Бессвинцовый припой имеет более высокую температуру плавления при 217°C по сравнению с 183°C для свинцовых сплавов. Это затрудняет работу с бессвинцовым припоем. Наиболее распространенным бессвинцовым припоем является оловянно-медный припой с температурой плавления 217°C и смесью 99,3% олова с 0,7% меди. Однако основная причина, по которой производители переходят на использование бессвинцовых припоев, заключается в том, чтобы исключить свинец из производства электроники и процессов переработки отходов.

Стоимость
Свинцовый припой более экономичен, чем бессвинцовый припой, поскольку свинец намного дешевле альтернативных сплавов. Свинец едва ли стоит одну десятую цены олова, что делает свинцовый припой доступным. Кроме того, некоторые производители заменяют олово серебром в качестве альтернативы свинцу в бессвинцовых припоях, что делает их еще более дорогими.

Экологические проблемы
Компании, которые ценят охрану окружающей среды, заявляют, что основной причиной использования бессвинцовой пайки является ядовитая природа свинца. Свинец действительно может накапливаться в организме человека даже при небольшом длительном воздействии. Кроме того, свинец может быстро попасть в организм через кожу, рот или нос. Однако количество свинца в припоях слишком незначительно, чтобы вызвать серьезные проблемы со здоровьем.

Какой припой лучше?
Свинцовый припой проще в использовании, имеет более низкую температуру плавления, низкую стоимость и вызывает меньше проблем с качеством соединений, чем бессвинцовый припой; продолжающиеся усилия по исключению свинца из всех электронных продуктов в Соединенных Штатах означают, что свинцовый припой может стать устаревшим в ближайшие 10 лет во многих коммерческих приложениях. Как правило, более экономично и эффективно использовать свинцовый припой из-за его уникальных свойств и преимуществ. В некоторых отраслях по-прежнему используются свинцовые припои из-за этих свойств и преимуществ. Основная причина, по которой вам следует выбирать бессвинцовые припои, если у вас есть такая возможность, заключается в том, что ваше правительство запрещает использование свинца в продуктах или если вы работаете в качестве компании, занимающейся экологическим, социальным и корпоративным управлением (ESG).

Все секторы, использующие припои в больших количествах, вероятно, скоро перейдут на бессвинцовую пайку, если они еще этого не сделали. Секторы производства красок и бензина перестали использовать свинец. По мере того, как производители начинают отказываться от свинцовых припоев, убедитесь, что вы прошли свое обучение и узнайте больше о бессвинцовых и свинцовых припоях от отраслевых экспертов из EPTAC. На курсах пайки высокого уровня вы можете получить практический опыт от инструкторов, которые знают отрасль вдоль и поперек.