Оценка припоев с малым содержанием серебра для бессвинцовой сборки

Электронная индустрия последние 10 лет переходит с припоев Sn37Pb на бессвинцовые материалы Sn3Ag0,5Cu. В бессвинцовых припоях SnAgCu используется 3% серебра, что привело к повышению цен на эти материалы из-за ограниченного количества серебра в мире. В связи с этим возникла необходимость в бессвинцовых припоях с низким содержанием серебра (≤ 1,2%) (НСС) для пайки шариковых выводов BGA/CSP и пайки волной, а также потребность в паяльной пасте с НСС.
Из ежегодно потребляемых 180 тыс. т припоя около 20 тыс. т используются на приготовление паяльной пасты и 160 тыс. т — на пайку волной припоя. Если исходить из расчета, что ежегодное потребление серебра на разные нужды составляет 20 тыс. т, а мировой объем его добычи — 21,5 тыс. т, лишь 1,5 тыс. т идет на рынок материалов для припоя. Этого количества серебра достаточно только в том случае, если его содержание в бессвинцовом припое составит около 1%.
Стоимость серебра существенно выросла с 250 тыс. долл./т в 2005 г. до 1 млн долл./т в 2011 г. По этой причине многие заказчики обратились к производителям с просьбой изготовить материалы с меньшим количеством серебра.
Компания Koki разработала бессвинцовый припой Sn0,1Ag0,7Cu 0,03Co (Koki S01X7C), в котором содержится лишь 0,1Ag. Это позволило значительно снизить стоимость материала по сравнению со стоимостью припоя Sn3Ag0,5Cu, т.к. конечная цена материала S01X7C, главным образом, определяется содержанием олова, а не серебра (см. рис. 1).

Рис. 1. Доля стоимости ингредиентов припоев Sn3Ag0,5Cu и Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co

Таким образом, на рынке появились бессвинцовые припои с низким содержанием серебра, что позволило решить проблему стоимости и поставок этого металла, но при этом обнаружилось, что новые материалы обладают меньшей стойкостью к термоциклированию по сравнению с припоем Sn3Ag0,5Cu. При переходе к использованию бессвинцовых сплавов с НСС следует также учитывать, что у новых материалов выше температура плавления, чем у Sn3Ag0,5Cu. У бессвинцовых припоев Sn3-4Ag0,5Cu этот показатель составляет около 217°C, у Sn1Ag0,5Cu — 225°C, а у Sn0,7Cu — 227°C.

То обстоятельство, что у припоев с НСС — более высокая температура плавления, чем у бессвинцовых материалов Sn3-4Ag0,5Cu, имеет особенное значение для пайки расплавлением дозированного припоя, где температуры и время обработки плат больше, чем при пайке волной припоя. Паяльные пасты с низким содержанием серебра применяются в настоящее время, главным образом, при изготовлении блоков сотовых телефонов, при котором температура пайки оплавлением относительно невысока. К этим пастам относятся следующие: Sn1Ag0,5Cu, Sn0,3Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co, Sn0,7Cu и Sn0,7Cu0,05Ni.

Применение припоев с НСС в пайке волной является более сложным делом по сравнению с SMT-процессом. К используемым материалам относятся Sn0,7Cu0,05Ni, Sn1Ag0,7Cu,
Sn0,7Cu0,3Ag, Sn0,7Cu0,3Ag0,03Ni
(JEITA) и Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co. Поскольку более высокая температура плавления припоев с НСС может привести к деформации компонентов или плат большой толщины при пайке волной, температура этого процесса ограничиваются, что затрудняет заполнение отверстий припоем.

Для ручной пайки применяются припои с низким содержанием серебра, которые используются в паяльных пастах: Sn1Ag0,5Cu, Sn0,3Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co, Sn0,7Cu, Sn0,7Cu0,05Ni. И в этом случае более высокая температура пайки с помощью припоев с НСС может отрицательно сказаться на платах большой толщины.

Для пайки корпусов BGA/CSP применяются те же припои, что и для паяльных паст. К этим материалам относятся: Sn1Ag0,5Cu, Sn0,3Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co, Sn0,7Cu и Sn0,7Cu0,05Ni. Более высокая температура плавления этих припоев может привести к повреждению платы или компонентов.

Припои, используемые в лудильных ваннах или разбрызгивающих устройствах, должны обеспечить хорошее заполнение отверстий и низкую растворимость меди. Эта материалы основаны на припоях, которые применяются в пайке волной: Sn0,7Cu0,05Ni, Sn0,7Cu0,3Ag0,03Ni (сплав JEITA) и Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co. Поскольку эти припои характеризуются большей температурой плавления, чем
Sn3-4Ag0,5Cu, необходимо, чтобы их применение не привело к повреждению платы и растворению медного покрытия в процессе пайки волной.

По мере требований повысить прочность к воздействию механических ударов и устойчивость к термоциклированию все чаще находят применение такие припой-шарики с малым содержанием серебра как Sn1Ag0,5Cu. Для качественных паяных соединений с использованием пасты Sn3Ag0,5Cu и припой-шариков Sn1Ag0,5Cu на контактных площадках также необходима более высокая температура процесса.

Для пайки электронных плат с помощью припоев с НСС необходимы обновленные стандарты, о которых пойдет речь в следующих разделах.

Профили пайки оплавлением определяются типами используемых припоев следующим образом:
– свинцово-оловянный: время пайки при температуре выше 183°C: 30–90 с, макс.: 205–215°C;
– бессвинцовый (Sn3-4Ag0,5Cu): время пайки при температуре выше 217°C: 30–90 sec, макс.: 235–260°C;
– бессвинцовый (Sn0,3Ag0,7Cu): время пайки при температуре выше 227°C: 30–90 с, макс.: 240–270°C.
При пайке компонентов необходимо учитывать номинальные температуры в соответствии со стандартами IPC/JEDEC J-STD-020. Текущий стандарт J-STD-020 для Sn3-4Ag0,5Cu (температура плавления: 217°C) определяет номинальные значения температуры для компонентов в диапазоне 3x 245°C…3x 260°C (в зависимости от толщины сборки/объема) и дополнительное значение 1x 260°C для компонентов с матрицами выводов (BGA/CSP). Время обработки компонентов при температуре выше 217°C составляет 60–150 с.
Для припоя Sn0,3Ag0,7Cu (температура плавления: 227°C) указывается другой диапазон значений — 3x 255°C…3x 270°C и 1x 260°C для компонентов с матрицами выводов. Время обработки компонентов при температуре выше 227°C составляет 60–150 с.

Монтаж в сквозные отверстия платы производится в соответствии со стандартом JEDEC JESD-B106-D, в котором указано, что на первой стадии пайки волной с использованием свинцово-оловянного припоя компонент подвергается воздействию 260°C в течение 10 с. На первой стадии пайки волной с помощью бессвинцового припоя Sn3-4Ag0,5Cu компонент подвергается воздействию 270°C в течение 7 с. Этот стандарт определяет для бессвинцовой пайки компонентов в отверстия необязательную номинальную температуру величиной 270°C на 15 с.
Для припоя Sn0,3Ag0,7Cu, используемого на первой стадии пайки волной, указано другое значение этого параметра — 280°C в течение 7 с, а необязательное значение номинальной температуры для бессвинцовой пайки компонентов в отверстия составляет 280°C на 15 с.
Для пайки компонентов волной, например нижней части SMT-компонентов с помощью свинцово-оловянного припоя, стандарт JEDEC JESD22-A111 определяет температуру 260°C на 15 с. Следует заметить, что этот стандарт не был пересмотрен для бессвинцовой пайки волной. Для пайки волной с помощью сплавов
Sn3-4Ag0,5Cu и Sn0,3Ag0,7Cu можно воспользоваться следующими номиналами температур:
– 270°C на 10 с (Sn3-4Ag0,5Cu);
– 280°C на 10 с (Sn0,3Ag0,7Cu).

В спецификации основных материалов для изготовления плат (IPC4101) указано, что время отслоения ламината на печатных платах при 288°C (T288) должно быть не менее 5 мин в случае применения припоя Sn3-4Ag0,5Cu. В случае припоя Sn0,3Ag0,7Cu это время составляет 10 мин при 288°C или 5 мин при более высоких температурах. Температура разрушения ламината (Td) у свинцово-оловянного припоя Sn3-4Ag0,5Cu должна быть не менее 325°C. У Sn0,3Ag0,7Cu этот показатель равен 335°C.

Допустимая степень коробления при сборке печатных плат и компонентов должна быть минимальной, чтобы предотвратить такие дефекты как «голова на подушке».
Организации JEITA и JEDEC пересмотрели спецификации по копланарности компонентов, указав максимальную степень коробления сборки. Для припоя Sn3-4Ag0,5Cu, применяемого в SMT-пайке оплавлением при максимальной температуре 260°C, отклонение составляет 3–6∙10–3 при шаге между шариковыми выводами в 0,4–1,27 мм. У Sn0,3Ag0,7Cu деформация не должна превышать 3–6∙10–3 вплоть до максимальной температуры пайки 270°C.
Согласно стандартам IPC, максимальная кривизна платы составляет 7,5∙10–3/дюйм в случае свинцово-оловянной и бессвинцовой пайки с использованием Sn3-4Ag0,5Cu. При этом не указывается кривизна платы для привоев с низким содержанием серебра. Более того, текущие стандарты IPC на платы не масштабируются корректно в зависимости от размеров корпуса и числа портов ввода-вывода, поэтому указанные значения необходимо исправить при обновлении спецификаций на припои Sn3-4Ag0,5Cu и Sn0,3Ag0,7Cu.

Помимо упомянутых спецификацией следует также рассмотреть производственные испытания для пайки с помощью бессвинцовых припоев с низким содержанием серебра. Эти тесты включают оценку результатов поверхностного монтажа, пайку волной и повторную обработку (BGA/CSP, лудильная ванна/разбрызгиватель припоя, ручная пайка). В настоящее время над соответствующим документом работает группа INEMI Alternative Alloy.

У тестирования припоев с низким содержанием серебра уже имеется своя история. Первые работы в этом направлении начались в 1992 г. в Великобритании в соответствии с проектом по испытанию бессвинцовых припоев Sn3,5Ag, Sn0,7Cu и Sn2Ag. На основе этих исследований компания Nortel выпустила телефоны Meridian, блоки которых были изготовлены с помощью сплава Sn0,7Cu.
В 2006 г. при переходе на бессвинцовую пайку многие поставщики компонентов стали применять вместо припоев Sn3-4Ag0,5Cu припой-шарики Sn1Ag0,5Cu для монтажа корпусов BGA/CSP, что повысило механическую прочность изделий. По мере дальнейшего роста интереса к использованию припой-шариков с НСС для пайки компонентов BGA/CSP группа INEMI Alternative Alloy приступила в 2009 г. к реализации программы исследований стойкости к термоциклированию припоев Sn3Ag0,5Cu, применяемых в качестве паяльной пасты. Исследования, главным образом, были направлены на изучение влияния серебра и стандартных примесей в припоях на надежность изделий.
В 2007 г. группа INEMI провела исследования припоев с НСС, в т.ч. Sn3Ag0,5Cu, Sn0,7Cu0,05Ni, Sn0,3Ag0,7CuBiX (X — примесь). В том же году JEITA после исследования припоев Sn0,3Ag0,7Cu и Sn1Ag0,7Cu рекомендовала их для пайки волной. Следует заметить, что сплав Sn1Ag0,7Cu соответствует достаточно строгим требованиям к термоциклированию.
В отрасли также проводились сравнительные испытания на разрушение медного покрытия с использованием припоев Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co (Koki S01X7C) и Sn3Ag0,5Cu (SAC305). В этих тестах интерметаллический слой (Cu-Co)6Sn5 был сформирован с помощью сплава Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co, препятствовавшего разрушению меди.
Эксперименты с интерметаллическим слоем проводились и с использованием образцов припоев Sn3Ag0,5Cu, Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co, Sn0,3Ag0,7Cu и Sn0,7Cu0,05Ni во время пайки оплавлением. Угол наклона графика зависимости толщины интерметаллического слоя от продолжительности пайки оплавлением (см. рис. 2) быстрее всего растет у сплавов Sn3Ag0,5Cu (SAC305) и Sn0,3Ag0,7Cu. Интерметаллический слой увеличивается относительно медленно у припоев Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co и Sn0,7Cu0,05Ni.

Рис. 2. Увеличение толщины интерметаллического слоя при пайке оплавлением с использованием бессвинцовых припоев Sn3Ag0,5Cu, Sn0,3Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co и Sn0,7Cu0,05Ni

У чип-резисторов типоразмера 0805 трещины в паяных соединениях возникли после термоциклирования в результате использования припоев Sn0,3Ag0,7Cu (сплав JEITA) и Sn0,7Cu0,05Ni. Применение сплава Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co сопровождалось меньшим процентом брака, как и Sn3Ag0,5Cu (см. рис. 3).

Рис. 3. Испытания ATC паяных соединений чип-резисторов 0805 в диапазоне –40…125°C для припоев Sn3Ag0,5Cu, Sn0,3Ag0,7Cu, Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co и Sn0,7Cu0,05Ni

В эксперименте с различными значениями максимальных температур оплавления и времени было установлено, что хорошие паяные соединения чип-резисторов 0805 обеспечивались при температуре 240°C с применением паяльной пасты Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co. Рекомендуется использовать профили оплавления при 240°C и выше с 30-с выдержкой после достижения точки плавления. Визуальный осмотр, изучение поперечного сечения и рентгеноскопический контроль соединений, полученных с помощью припоя Sn0,1Ag0,7Cu0,03Co, позволили сделать вывод о хорошем качестве пайки корпусов QFN, BGA и чип-резисторов.

Помимо стандартов, действующих в отношении компонентов и плат, требуются стандарты надежности припоев с низким содержанием серебра. Такие стандарты будут разработаны на основе уже существующих спецификаций для свинцово-оловянных и бессвинцовых припоев Sn3Ag0,5Cu.
Совет IPC SPVC (Solder Products Value Council) разработал документ, регламентирующий свойства основных материалов для альтернативных бессвинцовых сплавов с НСС, в котором указано, что целью испытаний является определение:
– состава сплава;
– результатов дифференциальной сканирующей калориметрии (измерения точки плавления);
– паяемости;
– растворимости меди;
– коэффициента температурного расширения;
– напряжения при растяжении;
– динамического модуля упругости.
В настоящее время продолжается разработка совместного документа IPC/INEMI, регламентирующего свойства основных материалов для альтернативных припоев с низким содержанием серебра. INEMI также предлагает рекомендации по механическим испытаниям и ATC-тестированию этих припоев. Рекомендуемые испытания позволяют получить стандартные данные в отношении:
– термической усталости SMT-соединений (0…100°C (ATC), –40…125°C согласно IPC 9701);
– стойкости SMT-соединений к механическим ударам (JESD22-B111);
– результатов испытания на отрыв выводов.
Испытания надежности, описанные в документе INEMI, позволяют установить общие характеристики надежности припоя. Полученные результаты не могут использоваться для определения конкретного назначения припоя вместо тех данных испытаний, которые предоставляют поставщики этой продукции. В то же время производителям электроники рекомендуется проводить прикладные испытания и учитывать их результаты в проектировании изделий, прежде чем применять конкретный припой для их изготовления.

Таким образом, обзор бессвинцовых припоев с низким содержанием серебра показал, что они характеризуются не только меньшей стоимостью и в меньшей мере зависят от конъюнктуры цен на мировом рынке драгоценных металлов, но и отличными механическими свойствами по сравнению со сплавом Sn3Ag0,5Cu.
Поскольку у бессвинцовых припоев с НСС, как правило, более высокая температура плавления, следует учитывать обновленные стандарты в отношении номинальных температур для компонентов и плат, в т.ч. J-STD-020 (SMT Components), JEDEC JESD B-106D (Wave and Wave Rework Components), JEDEC JESD22-A111 (Immersion Waved Soldered Components), IPC 4101 (Board Laminate Rating), JEDEC and JEITA Component Warpage Standards (During Reflow) и IPC Board Warpage Standards (During Reflow).
Отрасли предстоит разработать и обновить методы испытаний и стандарты для припоев с низким содержанием серебра, касающиеся:
– данных о физических свойствах;
– данных о надежности;
– производственных испытаний;
– спецификаций на температурные условия для плат и компонентов.