Влияние примесей оловянно-свинцовых припоев на их свойства
Надежность микроэлектронных изделий во многом зависит от качества соединений, выполненных с помощью пайки. Среди множества факторов, влияющих на свойства паяных соединений, таких как температура и время пайки, химический состав соединяемых материалов и качество подготовки поверхностей, важную роль играют химический состав и количество примесей в припоях.
В нашей мастерской для нужд ремонта вполне хватает Amperin ПОС-61. Он изготавливается в соответствии с ГОСТами 21930-76 / 21931-76. Примерный состав Sn61Pb39, плавится в интервале 183...190 °С. В припое регламентируется наличие примесей, но для ручного ремонта это несущественно, а вот для производства и групповой пайки это очень важно. Использование оловянно-свинцовых припоев с низким содержанием химических примесей способствует улучшению внешнего вида паяных соединений, а также позволяет увеличить количество соединений, получаемых из одного килограмма припоя, за счет уменьшения толщины паяного шва и снижения числа дефектных соединений.
Влияние примесей на свойства ПОС-61
У примесей разные источники происхождения и характер влияния на припой в зависимости от процентного содержания. В ГОСТе указаны критические значения для многих элементов, для некоторых элементов вообще не нормируется. В других странах есть свои стандарты и требования. Поэтому необходимо подбирать производителя припоя исходя из требований к чистоте.
Таблица: допустимое количество примесей в припое, содержащем 60% Sn и 40% Pb
| Стандарт | Sn | Cu | Sb | Cd | Bi | As | Al | Zn | S | Fe | Ni | Pb |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ГОСТ 21930 | 59.0-61.0 | 0.05 | 0.1 | - | 0.2 | 0.02 | 0.002 | 0.002 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | Остальное |
| QQ-S-517E, США | 59.6-61.5 | 0.08 | 0.2-0.5 | - | 0.25 | 0.03 | 0.005 | 0.003 | - | 0.02 | - | Остальное |
| DIN-1707, Германия | 59.5-60.0 | 0.05 | 0.12 | - | 0.1 | 0.01 | - | - | - | 0.02 | - | Остальное |
| BS-219, Великобритания | 59.0-60.0 | 0.08 | 0.5 | 0.005 | 0.1 | 0.03 | 0.001 | 0.003 | - | 0.02 | - | Остальное |
| JIS-Z 3282, Япония | 59.0-61.0 | 0.03 | 0.1 | - | 0.03 | 0.03 | 0.005 | 0.005 | - | 0.002 | - | Остальное |
Источники примесей
- Примеси, унаследованные от свинца или олова из рудного сырья (железо, никель, мышьяк, сера).
- Примеси, попадающие в ванны для лужения и паяльные ванны из поверхностного слоя деталей, подлежащих пайке (золото, серебро, медь, цинк, никель, кадмий, сера, фосфор, углерод).
- Примеси, добавляемые в состав припоя в качестве легирующих добавок (опять же золото, серебро и медь, сурьма, индий, редкоземельные металлы).
- Примеси, которые попадают в паяльные ванны и ванны для обслуживания в результате растворения материалов, используемых для изготовления оснастки этих ванн (такие как алюминий, цинк, кадмий, никель, углерод и сера).
Примеси из ГОСТа
В разных источниках разные рекомендации по содержанию того или иного элемента, порой очень противоречивые. Ниже используем информацию из открытых предложений от компании Диполь. Рассмотрим влияние примесей в порядке, в котором они указаны в ГОСТ.
Сурьма (Sb): Критическое значение для сурьмы в припое составляет 0.5%. При более высоких значениях смачиваемость заметно снижается. Например, при уровне 1% сурьмы площадь распространения уменьшается на 25%.
Медь (Cu): Критическое значение для меди (Cu) составляет 0.3%. Если содержание меди превышает 0.2%, это значительно увеличивает риск образования перемычек, а поверхность паяных соединений становится матовой и тусклой. В результате образуется интерметаллическое соединение Cu6Sn5, что повышает вязкость расплава. При температуре 250 °C растворимость меди в припое составляет примерно 0.5%. В сплавах SnPb уровень меди можно существенно снизить, если нагреть припой немного выше точки плавления (185...187 °C) и оставить его при этой температуре на несколько часов. Интерметаллические соединения будут накапливаться в верхней части расплава, и их можно удалить, аккуратно сняв верхний слой. Также медь можно удалить из расплава SnPb, используя фильтрацию через сетку из нержавеющей стали при температуре около 190 °C.
Висмут (Bi): При содержании около 2% висмут придаёт паяным соединениям матовый внешний вид. Примесь висмута до 3% не влияет на свойства пайки, однако более высокое содержание может значительно изменить температуру плавления.
Мышьяк (As): Допустимый уровень мышьяка не должен превышать 0.03%. При более высоких концентрациях он образует интерметаллические соединения AsSn и As₂Sn₃, что ухудшает смачиваемость, особенно на поверхности латунных сплавов (CuZn). В некоторых работах по припоям мышьяк считается одной из вреднейших примесей, и рекомендуется снижать его количество не менее чем в десять раз относительно ГОСТа.
Железо (Fe): Растворимость железа при обычной температуре пайки настолько низка, что не оказывает заметного влияния на свойства припоя. Наличие железа в расплаве припоя в количестве 0.1% увеличивает зернистость и вязкость, а также делает паяные швы более хрупкими. Если в расплаве присутствуют и железо, и сера, образуется соединение FeS₂, которое не растворяется в припое.
Никель (Ni): Скорость растворения и растворимость никеля, как и железа, при обычной температуре пайки также настолько низки, что не влияют на свойства припоя.
Сера (S): Сера придаёт паяным соединениям тусклый внешний вид даже при очень низких концентрациях. Критический уровень серы составляет 0.01%. Допустимое содержание серы в припоях не установлено ни одним национальным стандартом, кроме ГОСТ 21930. Сера образует тугоплавкие сульфиды PbS и SnS, которые накапливаются на поверхности расплавленного припоя. Растворимость серы в свинце составляет 0.0001%. В припое с 60% Sn и 40% Pb содержание серы 0.0015% увеличивает зернистость и вязкость сплава. Если содержание серы превышает 0.001%, это может вызвать сульфидную коррозию. Рекомендуется, чтобы содержание серы не превышало 0.02%, а для пайки электроники — еще в десять раз ниже.
Цинк (Zn): Цинк подвержен окислению в расплаве, и его оксиды сложно удалить. Это приводит к увеличению образования шлака, что существенно ухудшает смачиваемость. Поэтому приемлемый уровень цинка должен быть очень низким — менее 0.005%. Присутствие цинка в расплаве припоя в количестве 0.05–0.1% удваивает скорость окисления по сравнению с чистым сплавом.
Алюминий (Al): Алюминий подвержен окислению в расплаве, и его оксиды трудно удалить, что приводит к значительному образованию шлака и снижению смачиваемости. Добавление 0.0014% алюминия в расплав с 60% Sn и 40% Pb вызывает несмачивание стальных образцов, даже при использовании активного флюса ZnCl₂–NH₄Cl. Однако, согласно исследованию, добавление 0.001% алюминия и 0.5% сурьмы не влияет на смачивающие свойства припоя при пайке меди, латуни и стали. Совместное присутствие алюминия и цинка в количестве 0.003% ухудшает смачиваемость, а 0.04% алюминия и 0.02% фосфора снижают прочность паяных соединений.
Элементы вне ГОСТа
Серебро (Ag): Серебро считается допустимой примесью. Критическое содержание серебра составляет 0.2%. Если это значение превышено, может образовываться интерметаллическое соединение Ag₃Sn, что приводит к тусклому внешнему виду паяных соединений. Содержание серебра в расплаве припоя 60% Sn и 40% Pb в диапазоне 1.0–2.5% положительно сказывается на его поверхностных свойствах.
Золото (Au): Критический уровень золота составляет 0.5%. Золото может попасть в припой из-за растворения никель-золотых покрытий на площадках печатных плат. Это делает припой более вязким и снижает текучесть во время охлаждения из-за образования интерметаллического соединения AuSn₄, что также приводит к хрупкости паяного соединения. Растворимость золота в припое при 250 °C составляет около 5%. Важно отметить, что ни один из международных стандартов не устанавливает нормы для содержания золота в припоях.
Кадмий (Cd): Кадмий подвержен окислению в расплаве. Его оксиды трудно удалить, что приводит к увеличению образования шлака и снижению смачиваемости. Поэтому приемлемый уровень кадмия очень низок — менее 0.005%.
Фосфор (P): Фосфор используется как антиоксидант в припое. Существуют противоречивые данные о допустимом содержании фосфора в припоях, варьирующие от 0.02% до 0.001%. При содержании фосфора более 0.001% ПОС может скатываться в шарики на поверхности меди и нержавеющей стали. Исследования показывают, что добавление фосфора в количестве 0.001–0.01% в расплав при температуре 240–300 °C снижает окисляемость поверхности, однако с увеличением содержания фосфора скорость окисления возрастает. Поэтому большинство специалистов рекомендуют, чтобы содержание фосфора в припоях не превышало 0.01%.
Углерод (C): В международных стандартах нет информации о допустимом содержании углерода в оловянно-свинцовых припоях. Известно, что при использовании высокотемпературных припоях повышенное содержание углерода (более 0.001%) может вызывать разбрызгивание припоев, появление пористости в швах и сажистые налеты на поверхности соединений после затвердевания. Загрязнение углеродом чаще всего происходит в процессе переработки слитков. Углерод не образует соединений со свинцом и оловом и не растворяется в них, поэтому он "всплывает" на поверхность расплава, загрязняя спаянные узлы. Таким образом, содержание углерода в припое, как и в высокотемпературных припоях, не должно превышать 0.001%.
Заключение
Влияние примесей и загрязнений на свойства припоев очень важно для надежности и качества паяных соединений в микроэлектронике. Чтобы достичь высокого качества в производстве и ремонте электронных устройств, нужно обращать внимание на состав припоев и учитывать, как примеси влияют на их свойства. Это поможет сделать соединения более надежными и долговечными, что критически важно для правильной работы электроники.
Смотрите также:
Припой с канифолью ПОС-61