Бессвинцовые припои в технологии производства ППИ

В качестве бессвинцовых припоев рассматриваются сплавы на основе олова с добавлением в него Ag, Cu, Bi, Zn и других металлов. С точки зрения надежности считаются оптимальными сплавы Sn-Ag и Sn-Ag-Cu (95-96,6Sn/2,5-4,1Ag/0,9Cu). Эти припои рекомендуются многими исследователями для первоочередного изучения и внедрения. Основной их недостаток при пайке элементов на печатные платы: сравнительно высокая температура плавления около 220 ºС, негативно влияющая на сами ППИ и на плату. Снизить температуру плавления этих припоев можно, добавляя в них Bi, Zn и другие металлы. Рассматриваются варианты введения в составы Sn-Bi или Sn-Zn элементов, улучшающих технологические свойства данных припоев.

Хорошие результаты показал сплав 95,5Sn/4Ag/0,5Cu: высокая температура плавления (217 °С) делает его идеальным для пайки изделий, работающих при температуре ≤ 175 °С; при некоторых испытаниях он показал лучшую стойкость к переменным температурам, чем Sn-Ag припой.

Для пайки без свинца могут использоваться сплавы олова с медью, серебром, висмутом, индием, цинком. Сплав олова с висмутом с малым содержанием олова не намного дороже свинцового сплава, однако имеет низкую температуру плавления (138 °С).

Известен сплав для соединения элементов ППИ с получением повышенной стойкости к термической усталости: 81-92Sn/3-6Ag/0,1-2Cu.

Удовлетворительные результаты получены при использовании покрытий из Sn-Bi, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn и Sn-Zn. Контактные шарики из Sn-Ag-Cu – сплава обеспечивают повышенную циклическую прочность по сравнению с Sn-Pb припоями. При сборке кристаллов больших размеров значительная разница в термических коэффициентах расширения между Si, медной рамкой и пластмассовым заполнителем приводит к появлению значительных напряжений и к разрушению пластмассы. Образование трещин по поверхности контакта между соединением и заливочной массой вызывается влажностью.

В качестве припоев рекомендуется использовать трех- и четырехкомпонентные сплавы: 55-60Ag/25-30Cu/20-26Zn; 44-48Ag/32-36Cu/18-22Sn; 15-20Ag/28-32Cu/51-54Cd; 40-45Ag/12-15Cu/29-33Cd/9-11Zn; 63-68Ag/12-16Cu/11-15Sn/6-9Zn. Однако из-за высокой температуры плавления данные припои на сборочных операциях ППИ, по всей видимости, не найдут широкого применения.

Высокими механическими свойствами обладает припой: 2-4Ag/0,5-2Zn/2-3Bi/Sn-остальное.

Для пайки ИС предложен Sn-Ag припой: 3-4Ag/2-6Bi/2-6Jn/Sn-остальное.

Для массового производства ППИ отдается предпочтение Sn-Ag-Cu–припоям, например, сплаву 95,5Sn/3,8Ag/0,7Cu с температурой плавления 217 °С. По своей надежности паяные соединения, выполненные этим припоем, не уступают свинцовистому припою 62Sn/36Pb/2Ag.

Припои, не содержащие свинец, представляют собой эвтектические сплавы типа олово – висмут, олово – индий, висмут – индий и др.

Ниже приведены (по данным отечественной научно-технической информации) составы и температуры плавления бессвинцовых припоев, которые могут быть использованы при пайке полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов и внутренних выводов к контактным площадкам кристалла и корпуса.

 

 

Индиевые припои

Эти припои обладают стойкостью к окислению, электро- и теплопроводны. В электронной технике применяются при пайке вакуумных соединений, стеклянных и кварцевых изделий (табл. 5.5).

Благодаря высокой пластичности индиевых припоев и хорошей смачивающей способности их металлов и неметаллических материалов они могут использоваться при пайке материалов с различными коэффициентами линейного расширения.

 

Табл. 5.5. Состав и температура плавления индиевых припоев

Состав припоя, %	Температура плавления, °С	Назначение
99In/lCu	153
97In/3Zn	143
95In/5Al	151
74In/26Cd	123	Пайка германиевых элементов
66In/34Bi	72	Пайка полупроводниковых материалов
52In/48Sn	120	Пайка стекла без флюса методом натирания
74In/24,25Cd/1,75Zn	116
52,2In/46Sn/1,8Zn	108
27In/73Cd	123
97In/3Ag	141
44,2Jn/46,8Sn/9Tl	117

 

 

Висмутовые припои

Припои на основе висмута недостаточно пластичны, имеют малую прочность и склонны к трещинообразованию. Висмутовые припои находят широкое применение (из-за низкой температуры плавления) при пайке автоматически действующих противопожарных установок и плавких предохранителей. Пайка этими припоями осуществляется с применением специальных флюсов. В некоторых случаях паяемые поверхности перед пайкой подвергаются лужению (табл. 5.6).

 

Табл. 5.6. Состав и температура плавления висмутовых припоев

Состав припоя, %	Температура плавления, °С
60Bi/40Cd	144
54Bi/26Sn/20Cd	103
58Bi/25Sn/17In	79
58Bi/17Sn/25In	79
61,2Bi/32,6Sn/6,2Tl	128
60Bi/30Cd/10Tl	123
56Bi/36,5In/7,5Tl	100
55,3Bi/15,8Sn/10,9Cd/18Tl	100
57Bi/43Sn	139
60Bi/40Sn	150
70Bi/30Sn	175
80Bi/20Sn	200
90Bi/10Sn	240

 

Припои на цинковой основе

Сплавы системы цинк – олово имеют высокую прочность и пластичность только при содержании более 30 % Sn. Припои на основе цинка характеризуются низкой пластичностью и прочностью, плохой растекаемостью и затеканием в зазор. Пластичность припоев можно повысить введением в них серебра (1-5 %) и меди (2-3 %), растекаемость – введением кадмия и олова. Цинковые припои в основном применяются для пайки алюминия и его сплавов (табл. 5.7).

 

Табл. 5.7. Состав и температура плавления припоев на цинковой основе

Состав припоя, %	Температура плавления, °С
40Zn/11,5Al/8,5Cu/40Cd	310
45Zn/13,5Al/10Cu/31,5Cd	340
50Zn/25Cd/25Sn	300
60Zn/40Cd	330, σв = 35 МПа*

^*Предел прочности припоя при растяжении

 

 

Припои на основе кадмия

В качестве припоев, как правило, используют двойные или многокомпонентные сплавы кадмия с цинком, серебром, оловом, магнием, никелем и индием.

Сплавы кадмия с серебром и цинком применяют для пайки меди, алюминия и других металлов. Припои кадмия с добавкой олова имеют сравнительно низкую температуру плавления, иногда их используют для пайки алюминия ультразвуком. Добавка до 0,5% индия позволяет применять некоторые кадмиевые припои при пайке без флюса. Припои на основе кадмия обладают достаточной прочностью и большим относительным удлинением (табл. 5.8).

 

Табл. 5.8. Состав и температура плавления припоев на основе кадмия

Состав припоя, %	Температура плавления, °С
65Cd/30Zn/5Sn	294
57,7Cd/3,8Zn/38,5Sn (П150A)	150
51,5Cd/3,5Zn/45Sn	170
50Cd/20Zn/30Sn	277
75-83Cd/17-25Zn	280
65-70Cd/30-35Zn	310
50,5Cd/33Zn/9,5Al/7Cu	260
40Cd/40Zn/12Al/8Cu	310
79Cd/16Zn/5Ag	285
82,6Cd/17,4Zn	266
60Cd/40Zn	310
48,5-50,5Cd/32-34Zn/9,5Sn/7Al	260

 

 

Припои на основе олова

Данные припои уже широко применяют при пайке радиотехнической и электронной аппаратуры, работающей в различных климатических условиях. Двойные оловянно-цинковые припои находят широкое применение для низкотемпературной пайки изделий из алюминиевых и магниевых сплавов. Присадка цинка до 7 % в олово снижает температуру плавления сплава до 199 °С Добавки кадмия снижают температуру плавления оловянно-цинкового припоя. Резко снижают температуру плавления оловянных припоев добавки индия и таллия. Для улучшения технологических свойств и повышения надежности паяных соединений в оловянно-цинковые припои иногда вводят небольшие добавки серебра и алюминия. Составы припоев на основе олова приведены в табл. 5.9.

 

Табл. 5.9. Состав и температура плавления припоев на основе олова

Состав припоя, %	Температура плавления, °С
90Sn/10Zn	210, σB = 60 МПа
80Sn/20Zn	280, σB = 70 МПа
70Sn/30Zn	315
60Sn/40Zn	345, σB = 80 МПа
66,5Sn/2,5Zn/31Cd	165
57Sn/18Zn/25Cd	190
55Sn/25Zn/20Cd	250
46,8Sn/44,2In/9Tl	117
66,5Sn/31Cd/2,5Zn	163
67,75Sn/32,25Cd	177
91Sn/9Zn	199
70-80Sn/20-30Zn/l-2Ag	280
79Sn/21Bi	210
70Sn/30Bi	190
60Sn/40Bi	170
50Sn/50Bi	150
83-86Sn/7,5-8,5Ag/6-8Sb (BПp6)	250
90,8-93,2Sn/4,5-5,5Ag/0,8-1,2Sb/1,5-2,5Cu (BПp9)	240

 

Припои ВПр6 и ВПр9 могут применяться без всякой защиты при работе во всех климатических условиях.

При выборе способов, режимов пайки и типов припоев, применяемых при монтаже полупроводниковых приборов и ИС необходимо знать условия их эксплуатации. Значения предельных температур различных классов ППИ приведены в табл. 5.10.

Большое разнообразие типов полупроводниковых приборов и ИС в сущности отличаются размерами корпуса, кристалла и величинами электрических параметров.

 

Табл. 5.10. Температуры нагрева приборов

Диоды при:	Т °С
Uo6p≤1600B	190
Uобр≤2800В	175
Uобр≤4000В	150
Стабилитроны	140
Тиристоры:
лавинные	140
нелавинные	125
быстродействующие	110
симисторы	125
Транзисторы:
биполярные кремниевые	200
биполярные германиевые	85-100
полевые МДП	150
полевые с управляющим переходом	25-175
Оптопары:	100-120
приборы с зарядовой связью	110-140

 

При изготовлении ППИ с низкой себестоимостью должны использоваться групповые методы сборки в прецизионных кассетах. Основной способ монтажа кристаллов к основанию корпусов – это пайка в конвейерных водородных печах или в вакууме.

Применение бессвинцовых припоев и покрытий естественно приведет к изменению технологии пайки и в целом сборочных процессов. Потребуется корректировка режимов пайки и, как следствие, доработка технологического оборудования. Необходимо проведение комплексных испытаний бессвинцовых паяных соединений на прочность, тепловое сопротивление, коррозионную стойкость, совместимость с материалами и покрытиями обратной стороны кристаллов и оснований корпусов ППИ.