Исследование технологического процесса пайки бессвинцовыми припоями с целью повышения надежности электронной аппаратуры

В настоящее время промышленность всего мира переживает очередной этап преобразований, связанных с ужесточением экологических стандартов — происходит всеобщий отказ от свинца, что влечёт необходимость бессвинцовой пайки при изготовлении радиоэлектронной техники.

Свинец является токсичным тяжелым металлом. В 2002;ом году Европейское Сообщество одобрило WEEE (Waste from Electrical and Electronic Equipment — Положение об отходах электрического и электронного оборудования) и RoHS (Reduction of Hazardous SubstancesПоложение о применении некоторых опасных веществ в электрическом и электронном оборудовании). Эти положения касаются ограничения применения таких тяжелых металлов как свинец, кадмий, ртуть и шестивалентный хром, а также различные бромидные соединения. С 1 июля 2006 года эти вещества были запрещены к использованию в производстве электронной аппаратуры (далее — ЭА) в Европейском Сообществе.

Пайка — основной метод соединения компонентов при производстве ЭА. Паяные соединения имеют сложную многокомпонентную структуру и их механические свойства зависят от собственной прочности припоя в шве, прочности связи припоя с металлом припаиваемых элементов, прочности интерметаллических соединений, образующихся на границе между припоем и металлом основы и прочности металлов соединяемых элементов после воздействия на них расплавленного припоя.

Одной из самых важных проблем при переходе на бессвинцовую технологию является обеспечение надежности бессвинцовых паяных соединений по сравнению с обычиыми свинецсодержащими. Для свинецсодержащих припоев накоплен большой опыт и обширные данные по исследованию свойств соединений и электронных узлов в течение долгого срока эксплуатации, исследование бессвинцовых припоев находится на начальной стадии.

Повышение качества продукции является одной из важнейших задач современного производства. При отказе от свинецсодержащего припоя и переходе на бессвинцовые припои необходимо избежать резкого увеличения количества дефектов паяных соединений. Применение бессвинцовых припоев приводит к изменению технологии пайки, потребуется корректировка режимов пайки и доработка технологического оборудования. В этой связи, изготовители ЭА начинают свои исследования по поиску подходящих материалов и технологий без применения свинца. В первую очередь возникла необходимость проведения комплексных испытаний бессвинцовых паяных соединений на прочность и исследования их микроструктуры.

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям физико-химических свойств бессвинцовых материалов, рекомендуемых к применению в производстве ЭА. Существующие бессвинцовые припои разделены на пять основных групп, среди них самыми перспективными припоями являются сплавы 8п/Си, 8п/А§/Х и 8п/2п/Х. Основываясь на результатах многочисленных исследований, крупнейшие ассоциации производителей электронной техники рекомендуют в качестве альтернативы традиционным припоям сплавы 8п/А§/Си для пайки оплавлением и 8п/Си для пайки волной.

Особое место занимает исследование механических характеристик припоя 8п/Си и соединений паяных с его применением, так как в научно-технической литературе приводятся противоречивые сведения о результатах его использования.

Описание технологического процесса бессвинцовой пайки в математической форме (математическое" моделирование) позволяет нам корректно, с научной точки зрения, разрабатывать, анализировать и повышать надежность продукции.

В представленной диссертационной работе основное внимание уделено вилянию технологических факторов на прочностные характеристики соединений, паяных с применением бессвинцовых припоев.

В связи с этим, Целью работы является исследование факторов влияющих на прочностные характеристики соединений, паяных бессвинцовыми припоями и моделирование технологического процесса бессвинцовой пайки.

Задачи, разрешённые в данной работе:

1. Разработана методика проведения испытаний на растяжение согласно с ГОСТ 28 830–90, которая может применяться при исследованиях как прочностных характеристик рекомендуемых припоев, так и при анализе технологии процесса пайки.

2. Установлено, что прочность на растяжение соединений, паянных 99С (бессвинцовый припой 8пО, 7Си) ниже, чем соединений паяных ПОС-61 (свинецсодержащий припой) на 10−12% - такое расхождение для промышленной технологии сборки ЭА можно считать несущественным.

3. Обнаружено, что предел прочности соединений, паянных 99С 502 (трубчатый бессвинцовый припой 8пО, 7Си, не требующий отмывки) снижается при длительной выдержке пайки, которая должна быть меньше 15 сек. Повышение среднего квадратного отклонения (СКО), характеризующее стабильность процесса пайки, возрастает с повышением температуры пайки выше 250 °C.

4. Исследованы спаи, в которых обнаружено соединение, имеющее фазу т| (8п5Сиб), обладающую низкой симметрией, что приводит к хрупкости. При оптимальной температуре пайки 250 °C, с повышением длительности пайки толщина интерметаллических соединений возрастает.

5. Получена математическая модель технологического процесса, на основе которой обработан процесс пайки бессвипцовым припоем 99С 502, в результате чего обнаружено влияние технологического процесса на СКО. На основе математической модели рекомендуются режимы пайки исследуемым бессвинцовым припоем — температура пайки 250 °C, длительность пайки в пределах 5−15 сек. с учетом требования паяемого объекта и тип флюса Crystal 502.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проанализированы достоинства и недостатки существующих бессвинцовх припоев, паст и флюсов, применяемых при пайке бессвинцовыми припоями. Исследованы особенности технологии пайки бессвипцовым припоем.

2. Изучены дефекты, возникающие при пайке бессвинцовыми припоями, и разработаны методы их предотвращения.

3. Разработана методика проведения эксперимента па растяжение паяных соединений, исследован предел прочности на разрыв соединений, паянных исследуемыми припоями и пастой при комнатной температуре, с помощью сканирующего электронного микроскопа и изучена микроструктура этого соединения.

4. Разработан метод планирования эксперимента по моделированию технологического процесса и создана математическая модель технологического процесса пайки бессвинцовым припоем.

5. Представлены рекомендации для технологического процесса пайки бессвинцовыми припоями указанных типов.

Автор защищает:

1. Разработанные существующие бессвинцовые припои, пасты и флюсы, применяемые при пайке бессвинцовыми припоями.

2. Разработанную методику проведения эксперимента на растяжение паяных соединений и их микроструктуры.

3. Анализ полученных данных лабораторных испытаний.

4. Полученную математическую модель технологического процесса пайки бессвинцовым припоем.

5. Представленные рекомендации для производства ЭА с применением бессвинцовой пайки.

Работа была выполнена на кафедре «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Автор благодарит научного руководителя к.т.н., профессора Чеканова А. Н. за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н. Э. Баумана, в особенности: к.т.н., доценту Макарчуку В. В. за помощь в выполнении пайки, к.т.н., доценту Журавлевой Л. В. за ценные консультации по вопросам моделирования, доценту Шерстневу В. В. за проверку диссертации. Хочется особо поблагодарить Букеткина Б. В., сотрудника лаборатории кафедры <Прикладная механика> РК-5 МГТУ им. Н. Э. Баумана за неоценимую помощь при проведении испытаний прочности на растяжение.

Выражаю также свою особую благодарность д.т.н., профессору Шахнову В. А., заведующему кафедрой «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н. Э. Баумана за поддержку и ценные советы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Выявлено, что среди существующих бессвинцовых припоев самыми перспективными припоями являются сплавы Sn/Cu, Sn/Ag/X. На основании результатов многочисленных исследований производителей электронной техники в данной работе в качестве альтернативы традиционным припоям исследовались сплавы, которые рекомендуются для пайки оплавлениемSn/Ag/Cu и для пайки волной — Sn/Cu.

2. Разработана методика проведения испытаний па растяжение согласно ГОСТ 28 830–90. Представленная методика является эффективной и экономичной, она может применяться при изучении как прочностных характеристик рекомендуемых припоев, так и при анализе технологии процесса пайки.

3. Установлено, что прочность на растяжение соединений, полученных припоем марки 99С ниже, чем соединений, изготовленных припоем ПОС-61 на 10−12%. Такое расхождение для промышленной технологии сборки ЭА можно считать несущественным. Соединения таким бессвинцовым припоем обладают такими же прочностными характеристиками, как с эвтектическим припоем Sn/Pb, что позволяет применять данный припой в качестве замены свинецсодержащих припоев в производстве ЭА.

4. Применение флюса занимает важное место в технологическом процессе пайки, позволяя улучшать стабильность паяных соединений. Исследовалось влияние флюса Crystal 502 при пайке припоем 99С, который значительно повышает стабильность и надёжность соединений. При применении канифоли в качестве флюса стабильность соединений, паяных припоем 99С хуже, чем с применением флюса Crystal 502.

5. Исследованы спаи, в которых обнаружено соединение, имеющее фазу f| (Sn5Cu6), обладающее низкой симметрией, что приводит к хрупкости спая. Установлено, что одним из факторов, снижающих прочность паяных соединений, является увеличение толщины слоя интерметаллического соединения. При рекомендуемой температуре пайки 250 °C с повышением длительности процесса пайки толщина интерметаллических соединений возрастает, в результате снижается прочность паяных соединений.

6. Получена математическая модель технологического процесса, на основе которой отработан процесс пайки бессвинцовым припоем 99С 502, в результате чего обнаружено влияние технологических процессов на стабильность паяных соединений. Сравнение результатов расчетов на основе использования модельных представлений с экспериментальными данными исследований свидетельствует об адекватности предлагаемой математической модели. На основе математической модели рекомендуются режимы пайки исследуемым бессвинцовым припоем: температура пайки 250 °C, длительность пайки в пределах 5−15 сек. с учетом требования паяемого объекта, тип флюса Crystal 502.

7. Установлено, что соединения, паяные бессвинцовым припоем с применением рекомендованных режимов, обладают приемлемыми прочностными характеристиками по сравнению со свинецсодержащими, позволяющими обеспечить надёжность ЭА в эксплуатации. В отличие от других бессвинцовых припоев применение такого припоя уменьшает затраты на производство ЭА. Вследствие нетоксичности меди бессвинцовая пайка гарантирует безопасность производства и обеспечивает соблюдение экологических норм при производстве ЭА.