Как бессвинцовая пайка влияет на SMD-технологию?

В связи с ужесточением требований по экологичности и безопасности с середины 2000-х годов мировая электронная промышленность стала переходить на использование бессвинцовых припоев. В этой статье подробно разберем, какое влияние оно оказало на технологию поверхностного монтажа и отрасль в целом.

Отличия бессвинцовых и свинцовых припоев

Долго время сплавы с содержанием свинца были основой электронной промышленности. Их использование было обусловлено следующими преимуществами:

• Отличная смачиваемость, обеспечивающая лучшее растекание расплавленного припоя по всей контактной площадки и затекание в небольшие отверстия на плате;
• Образование прочного паяного соединения, между контактными площадками и выводами компонентов, изготовленных из разных металлов (например, меди и никеля);
• Низкая температура плавления (в пределах 179-190ᵒС) – следовательно, меньшая тепловая нагрузка на термочувствительные компоненты;
• Широкое технологическое окно при пайке оплавлением печатных плат.

Но у свинцовых припоев есть и недостатки, основным из которых является токсичность самого свинца. Его пары, называемые цианистым водородом и оксидом углерода, образующиеся при расплавлении припоя, проникают в дыхательные пути человека, накапливаются в организме и вызывают тяжелое отравление. Также, попадая в окружающую среду (например, при утилизации  старой электроники), свинец скапливается в почве и грунтовых водах.

Поэтому в 2006 году в ЕС была принята Директива RoHS, которая ограничивает (но не исключает полностью) использование свинцовых припоев в электронике. Вместо них сегодня используются сплавы на основе олова с добавлением меди, серебра или цинка (реже – золота, никеля и других металлов). Отсутствие высокотоксичного свинца положительно сказалось на безопасности и экологичности пайки, но вместе с тем бессвинцовые сплавы имеют свои недостатки:

• Низкая смачиваемость, снижающая качество паяных соединений;
• Высокая температура плавления (217-227ᵒС), и как следствие более высокие пиковые температуры при пайке (235– 250 °С), долгая выдержка при которых может повредить термочувствительные компоненты.
• Более короткий срок эксплуатации электронных изделий, из-за повышенной чувствительности к влажности.

Частично эти проблемы бессвинцовых припоев решаются за счет введения в их состав дополнительных металлов, а также использованием флюсов, улучшающих смачиваемость расплавленного припоя расплавами контактных поверхностей. Однако, на сегодняшний день полностью вытеснить свинцовые припои они еще не смогли.

Влияние бессвинцовой пайки на SMT-технологию

Поверхностный монтаж гораздо сильнее зависит от качества припоя по сравнению со сквозным, так как в SMD нет монтажных отверстий, улучшающих качество и надежность соединений. Хотя в целом внедрение бессвинцовых составов не изменило общего процесса поверхностного монтажа, оно заставило технологов скорректировать его отдельные параметры:

• Температурный профиль. Основное отличие свинцового профиля от бессвинцового состоит в более высоких температурах в стадиях стабилизации паяльной пасты и в стадии оплавления, а также в увеличение времени предварительного нагрева и охлаждения. Построение профиля зависит от выбранной паяльной пасты и входящего в нее состава сплава, разные сплавы имеют свою температуру плавления. Перед построением термопрофиля необходимо ознакомится с рекомендациями производителя паяльной пасты.

• Конструкция печей оплавления. Для бессвинцовой пайки требуются модели печей оплавления с большим числом зон для нагрева и охлаждения чтобы обеспечить параметры температурного профиля.
• Состав флюсов. Они уменьшают поверхностное натяжение бессвинцового расплава и улучшают его растекаемость по контактным площадкам. При этом сами флюсы должны быть более термоустойчивыми, чем те, которые используются при свинцовой пайке. Повышенная температура пайки бессвинцовыми припоями приводит к тому, что остатки флюса удаляются поверхности печатной платы сложнее. На стадии проверки платы в сборе не отмытые остатки флюса могут исказить работу измерительных приборов, показав наличие ложных разрывов цепи. Для удаления остатков флюса на этапе отмывки ПП используются более агрессивные отмывочные средства. Для электронных устройств где отмывка не является обязательным процессом, активно применяются безотмывочные флюсы, разработанные специально для бессвинцовой пайки.

В целом, бессвинцовая пайка скорее негативно сказалась на качестве поверхностного монтажа из-за более частых возникающих дефектов паянных соединений и меньшего срока службы электронных изделий. Так же можно отметить худшую ремонтопригодность, связанную с технологией производства печатных плат и применением более высоких температур. В то же время она существенно повысила безопасность персонала, занятого на производстве электронных изделий, а также экологичность отрасли в целом.