Припой - Solder

Эта статья о материале. Для процесса см. Пайка.
Паяное соединение, используемое для прикрепления провода к контакту компонента на задней панели печатная плата
Катушка с припоем диаметром 1,6 мм

Припой (/ˈsoʊлdər/,[1] /ˈsɒлdər/[1] или в Северной Америке /ˈsɒdər/[2]) это плавкий металл сплав используется для создания прочной связи между металлическими деталями. Припой плавится, чтобы прилипнуть к деталям и соединить их после охлаждения, для чего требуется, чтобы сплав, пригодный для использования в качестве припоя, имел более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Припой также должен быть устойчивым к окислительным и коррозионным воздействиям, которые со временем разрушат соединение. Припой, используемый для электрических соединений, также должен иметь хорошие электрические характеристики.

Мягкий припой обычно имеет диапазон температур плавления от 90 до 450 ° C (от 190 до 840 ° F; от 360 до 720 K),[3] и обычно используется в электроника, сантехника, и работы с листовым металлом. Сплавы которые плавятся между 180 и 190 ° C (360 и 370 ° F; 450 и 460 K), являются наиболее часто используемыми. Пайка, выполняемая с использованием сплавов с температурой плавления выше 450 ° C (840 ° F; 720 K), называется «твердой пайкой», «серебряной пайкой» или пайка.

В определенных пропорциях некоторые сплавы эвтектика - то есть сплава таяние точка является самой низкой из возможных для смеси этих компонентов и совпадает с точкой замерзания. Неэвтектические сплавы могут иметь существенно разные солидус и ликвидус температуры, поскольку они имеют четкие переходы между жидкостью и твердым телом. Неэвтектические смеси часто существуют в виде пасты твердых частиц в расплавленной матрице низкоплавкой фазы, поскольку они достигают достаточно высоких температур. При электромонтажных работах, если соединение будет нарушено в этом «пастообразном» состоянии до полного затвердевания, это может привести к плохому электрическому соединению; использование эвтектического припоя уменьшает эту проблему. Пастообразное состояние неэвтектического припоя можно использовать в водопроводе, поскольку оно позволяет формовать припой во время охлаждения, например для обеспечения водонепроницаемого соединения труб, в результате чего получается так называемый «протертый стык».

Для электрических и электронных работ доступна паяльная проволока различной толщины для ручной пайки (ручная пайка выполняется с использованием паяльник или же паяльник ), и с ядрами, содержащими поток. Он также доступен в виде пасты при комнатной температуре, в виде предварительно отформованной фольги, форма которой соответствует заготовке, которая может больше подходить для механизированной обработки. массовое производство или в небольших «язычках», которые можно обернуть вокруг стыка и расплавить пламенем там, где утюг непригоден или недоступен, например, при ремонте в полевых условиях. Сплавы свинца и олова широко использовались в прошлом и до сих пор доступны; они особенно удобны для ручной пайки. Использование бессвинцовых припоев все шире из-за нормативных требований, а также преимуществ для здоровья и окружающей среды от отказа от электронных компонентов на основе свинца. Сегодня они почти исключительно используются в бытовой электронике.[4]

Сантехники часто используют прутки припоя, намного толще проволоки, используемой для электрических применений, и наносят флюс отдельно; многие флюсы для пайки, подходящие для сантехники, являются слишком коррозионными (или проводящими) для использования в электрических или электронных работах. Ювелиры часто используют припой в виде тонких листов, которые разрезают на кусочки.

Этимология

Слово припой происходит от Средний английский слово судур, через Старофранцузский солдат и душитель, от латинский солидар, что означает «сделать твердым».[5]

Сочинение

На основе свинца

Sn60Pb40 припаять

Банка -вести (Sn-Pb) припои, также называемые мягкими припоями, коммерчески доступны с концентрациями олова от 5% до 70% по весу. Чем больше концентрация олова, тем больше у припоя растяжение и прочность на сдвиг. Исторически сложилось так, что свинец смягчает образование оловянные усы,[6] хотя точный механизм этого неизвестен.[7] Сегодня для смягчения проблемы используются многие методы, включая изменения в процессе отжига (нагрев и охлаждение), добавление таких элементов, как медь и никель, и применение конформные покрытия.[8] Для электрической пайки обычно используются сплавы 60/40 Sn-Pb, плавящиеся при 188 ° C (370 ° F),[9] и 63/37 Sn-Pb, используемый в основном в электрических / электронных работах. Эта смесь представляет собой эвтектика сплав этих металлов, который:

  1. имеет самую низкую температуру плавления (183 ° C или 361 ° F) из всех сплавов олово-свинец; и
  2. точка плавления действительно точка - не диапазон.

В Соединенных Штатах с 1974 года использование свинца в припоях и флюсе в водопроводных системах для питьевой воды запрещено в соответствии с Закон о безопасной питьевой воде (SDWA).[10] Исторически сложилось так, что доля свинца была выше, обычно 50/50. Это имело преимущество в более медленном затвердевании сплава. Поскольку трубы физически соединяются друг с другом перед пайкой, припой можно протирать по стыку для обеспечения водонепроницаемости. Хотя свинцовые водопроводные трубы были вытеснены медью, когда значение отравление свинцом начали полностью ценить, свинцовый припой все еще использовался до 1980-х годов, потому что считалось, что количество свинца, которое могло вымыться в воду из припоя, было незначительным из-за правильно спаянного соединения. В электрохимический пара меди и свинца способствует коррозии свинца и олова. Олово же защищено нерастворимым оксидом. Поскольку даже небольшое количество свинца было признано вредным для здоровья как сильнодействующее нейротоксин,[11] свинец в водопроводном припое был заменен на серебро (пищевые продукты) или сурьма, с медь часто добавляли, и доля олова была увеличена (см. Бессвинцовый припой.)

Добавление олова, более дорогого, чем свинец, улучшает смачивающие свойства сплава; Сам свинец имеет плохие смачивающие характеристики. Сплавы с высоким содержанием олова и свинца имеют ограниченное применение, поскольку диапазон обрабатываемости может быть обеспечен более дешевым сплавом с высоким содержанием свинца.[12]

Свинцово-оловянные припои легко растворяются золото покрытие и образование хрупких интерметаллидов.[13]Припой 60/40 Sn-Pb окисляется на поверхности, образуя сложную 4-х слойную структуру: оксид олова (IV) на поверхности, под ней слой оксид олова (II) с мелкодисперсным свинцом, за которым следует слой оксида олова (II) с мелкодисперсными оловом и свинцом, а под ним - сам припой.[14]

Свинец и до некоторой степени олово, используемые в припое, содержат небольшое, но значительное количество радиоизотоп примеси. Радиоизотопы, подвергающиеся альфа-распад вызывают беспокойство из-за их склонности вызывать мягкие ошибки. Полоний-210 особенно проблематично; свинец-210 бета-распад к висмут-210 который затем бета распадается до полония-210, интенсивного излучателя альфа-частицы. Уран-238 и торий-232 являются другими значительными загрязнителями сплавов свинца.[15][16]

Без свинца

Припой из чистого олова
Пайка медных труб пропановой горелкой и бессвинцовым припоем

В Евросоюз Директива об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE) и Директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS) были приняты в начале 2003 г. и вступили в силу 1 июля 2006 г., ограничив включение свинца в большинство бытовой электроники, продаваемой в ЕС, и оказали большое влияние на бытовую электронику, продаваемую во всем мире. В США производители могут получить налоговые льготы за счет сокращения использования припоя на основе свинца. Бессвинцовые припои, используемые в коммерческих целях, могут содержать олово, медь, серебро, висмут, индий, цинк, сурьма, и следы других металлов. Большинство бессвинцовых заменителей обычных припоев 60/40 и 63/37 Sn-Pb имеют температуры плавления на 50-200 ° C выше,[17] хотя есть также припои с гораздо более низкими температурами плавления. Бессвинцовый припой обычно требует около 2% флюса по массе для адекватной смачивающей способности.[18]

Когда бессвинцовый припой используется в пайка волной, может быть желательна слегка модифицированная емкость для припоя (например, титан футеровки или крыльчатки) для снижения затрат на техническое обслуживание из-за повышенного улавливания олова припоя с высоким содержанием олова.

Бессвинцовый припой может быть менее желательным для критических применений, таких как аэрокосмический и медицинские проекты, поскольку его свойства менее изучены.

Олово-серебро-медь Припои (Sn-Ag-Cu, или «SAC») используются двумя третями японских производителей для оплавления и пайка волной, и около 75% компаний для ручной пайки. Широкое распространение этого популярного семейства бессвинцовых припоев основано на пониженной температуре плавления тройной эвтектики Sn-Ag-Cu (217 ° C (423 ° F)), которая ниже 22/78 Sn-Ag. (мас.%) эвтектика 221 ° C (430 ° F) и эвтектика 59/41 Sn-Cu 227 ° C (441 ° F).[19] Тройное эвтектическое поведение Sn-Ag-Cu и его применение для сборки электроники было обнаружено (и запатентовано) группой исследователей из Лаборатория Эймса, Государственный университет Айовы, и из Сандийские национальные лаборатории -Альбукерке.

Многие недавние исследования были сосредоточены на добавлении четвертого элемента в припой Sn-Ag-Cu, чтобы обеспечить совместимость с пониженной скоростью охлаждения паяльной сферы для сборки припоя. массивы сетки мячей. Примерами этих четырехэлементных композиций являются 18/64/14/4 олово-серебро-медь-цинк (Sn-Ag-Cu-Zn) (интервал плавления 217–220 ° C) и 18/64/16/2 олово- серебро-медь-марганец (Sn-Ag-Cu-Mn) (интервал плавления 211–215 ° C).

Припои на основе олова легко растворяют золото, образуя хрупкие интерметаллические соединения; для сплавов Sn-Pb критическая концентрация золота для охрупчивания соединения составляет около 4%. Припои с высоким содержанием индия (обычно индий-свинец) больше подходят для пайки более толстого слоя золота, поскольку скорость растворения золота в индии намного ниже. Припои с высоким содержанием олова также легко растворяют серебро; для пайки серебряной металлизации или поверхностей подходят сплавы с добавлением серебра; Сплавы, не содержащие олова, также являются выбором, хотя их смачиваемость хуже. Если время пайки достаточно велико для образования интерметаллидов, оловянная поверхность соединения, припаянного к золоту, будет очень тусклой.[13]

Твердый припой

Твердые припои используются для пайки и плавятся при более высоких температурах. Наиболее распространены сплавы меди с цинком или серебром.

В серебряное дело или же ювелирные украшения изготовления, используются специальные твердые припои, которые проходят проба. Они содержат большую долю паяемого металла, и свинец в этих сплавах не используется. Эти припои различаются по твердости и обозначаются как «эмалированные», «твердые», «средние» и «легкие». Эмалирование припой имеет высокую температуру плавления, близкую к температуре плавления самого материала, что предотвращает образование стыков. распайка во время обжига в процессе эмалирования. Остальные типы припоев используются в порядке убывания твердости в процессе изготовления изделия, чтобы предотвратить ранее спаянный шов или распайку стыка при пайке дополнительных участков. Легкий припой также часто используется для ремонтных работ по той же причине. Флюс также используется для предотвращения распайки стыков.

Серебряный припой также используется в производстве для соединения металлических деталей, которые нельзя сваренный. Сплавы, используемые для этих целей, содержат высокую долю серебра (до 40%), а также могут содержать кадмий.

Сплавы

Основная статья: Припои

В припойном сплаве разные элементы выполняют разные функции:

  • Сурьма добавляется для увеличения прочности, не влияя на смачиваемость. Предотвращает появление оловянных вредителей. Следует избегать обработки цинка, кадмия или гальванизированных металлов, так как получаемое соединение является хрупким.[20]
  • Висмут значительно снижает температуру плавления и улучшает смачиваемость. В присутствии достаточного количества свинца и олова висмут образует кристаллы Sn16Pb32Би52 с температурой плавления всего 95 ° C, который диффундирует по границам зерен и может вызвать разрушение соединения при относительно низких температурах. Таким образом, высокомощная деталь, предварительно луженная свинцовым сплавом, может отслаиваться под нагрузкой, если припаяна висмутсодержащим припоем. Такие стыки также склонны к растрескиванию. Сплавы с более чем 47% Bi расширяются при охлаждении, что может использоваться для компенсации напряжений несоответствия теплового расширения. Замедляет рост оловянные усы. Относительно дорого, ограниченная доступность.
  • Медь повышает устойчивость к усталости от термического цикла и улучшает смачивание свойства расплавленного припоя. Это также замедляет скорость растворения меди на плате и выводах деталей в жидком припое. Медь в припоях образует интерметаллические соединения. Перенасыщенный (примерно на 1%) раствор меди в олове может использоваться для ингибирования растворения тонкопленочной металлизации под выступом. BGA чипсы, например как Sn94Ag3Cu3.[19][21]
  • Никель может быть добавлен в припой для образования перенасыщенного раствора для предотвращения растворения тонкопленочной металлизации под выступом.[21] В сплавах олово-медь небольшая добавка Ni (<0,5 мас.%) Препятствует образованию пустот и взаимной диффузии элементов Cu и Sn.[19] Подавляет растворение меди, даже в большей степени в синергии с висмутом. Присутствие никеля стабилизирует интерметаллиды медь-олово, подавляет рост проэвтектических дендритов β-олова (и, следовательно, увеличивает текучесть вблизи точки плавления эвтектики медь-олово), способствует появлению блестящей яркой поверхности после затвердевания, препятствует растрескиванию поверхности при охлаждении; такие сплавы называются «никель-модифицированными» или «никелевыми». Небольшие количества увеличивают текучесть расплава, в большинстве случаев на 0,06%.[22] Чтобы избежать проблем с патентами, можно использовать субоптимальные суммы. Уменьшение текучести увеличивает заполнение отверстий и уменьшает образование мостиков и сосулек.
  • Кобальт используется вместо никеля, чтобы избежать проблем с патентами при улучшении текучести. Не стабилизирует интерметаллидные образования в твердом сплаве.
  • Индий снижает температуру плавления и улучшает пластичность. В присутствии свинца он образует тройное соединение, которое претерпевает фазовый переход при 114 ° C. Очень высокая стоимость (в несколько раз больше серебра), низкая доступность. Легко окисляется, что вызывает проблемы при ремонте и переделке, особенно когда нельзя использовать флюс для удаления оксидов, например во время прикрепления кристалла GaAs. Сплавы индия используются для криогенных применений и для пайки золота, поскольку золото растворяется в индии гораздо меньше, чем в олове. Индий также может паять многие неметаллы (например, стекло, слюду, оксид алюминия, магнезию, диоксид титана, диоксид циркония, фарфор, кирпич, бетон и мрамор). Склонен к диффузии в полупроводники и вызывает нежелательное легирование. При повышенных температурах легко диффундирует через металлы. Низкое давление пара, подходит для использования в вакуумных системах. Образует с золотом хрупкие интерметаллиды; Припои с высоким содержанием индия на толстом золоте ненадежны. Припои на основе индия склонны к коррозии, особенно в присутствии хлористый ионы.[23]
  • Свинец стоит недорого и имеет подходящие свойства. Хуже смачивания, чем олово. Токсично, выводится из употребления. Замедляет рост усов олова, подавляет оловянных вредителей. Снижает растворимость меди и других металлов в олове.
  • Серебро обеспечивает механическую прочность, но имеет худшую пластичность, чем свинец. В отсутствие свинца улучшает сопротивление усталости от термических циклов. При использовании припоев SnAg с выводами, покрытыми HASL-SnPb, образуется SnPb36Ag2 Фаза с температурой плавления 179 ° C, которая перемещается к границе раздела плата-припой, затвердевает последней и отделяется от платы.[17] Добавление серебра к олову значительно снижает растворимость серебряных покрытий в фазе олова. В эвтектическом сплаве олово-серебро (3,5% Ag) и подобных сплавах (например, SAC305) он имеет тенденцию к образованию пластинок Ag3Sn, который, если он образуется вблизи места высокого напряжения, может служить инициирующим участком для трещин и вызывать плохие характеристики удара и падения; содержание серебра должно быть ниже 3%, чтобы предотвратить такие проблемы.[21] Высокая подвижность ионов, имеет тенденцию мигрировать и образовывать короткие замыкания при высокой влажности под действием смещения постоянного тока. Способствует коррозии ванн с припоем, увеличивает образование окалины.
  • Банка - обычный основной конструкционный металл сплава. Обладает хорошей прочностью и смачиванием. Сам по себе он склонен к оловянный вредитель, оловянный крик, и рост оловянные усы. Легко растворяет серебро, золото и в меньшей, но все же значительной степени многие другие металлы, например медь; это особенно важно для богатых оловом сплавов с более высокими температурами плавления и оплавления.
  • Цинк снижает температуру плавления и стоит недорого. Однако он очень подвержен коррозии и окислению на воздухе, поэтому цинкосодержащие сплавы не подходят для некоторых целей, например пайка волной припоя и цинкосодержащие паяльные пасты имеют более короткий срок хранения, чем не содержащие цинка. Может образовывать хрупкие интерметаллические слои Cu-Zn при контакте с медью. Легко окисляется, что ухудшает смачивание, требует подходящего флюса.
  • Германий в припоях на основе олова бессвинцовый влияет на образование оксидов; ниже 0,002% увеличивает образование оксидов. Оптимальная концентрация для подавления окисления составляет 0,005%.[24] Используется, например, в Сплав Sn100C. Запатентовано.
  • Редкоземельные элементы при добавлении в небольших количествах улучшает структуру матрицы в сплавах олово-медь, отделяя примеси на границах зерен. Однако чрезмерное добавление приводит к образованию усов олова; это также приводит к образованию паразитных фаз редкоземельных элементов, которые легко окисляются и ухудшают свойства припоя.[19]
  • Фосфор используется как антиоксидант для подавления образования окалины. Уменьшает текучесть оловянно-медных сплавов.

Примеси

Примеси обычно попадают в резервуар для припоя путем растворения металлов, присутствующих в паяемых узлах. Растворение технологического оборудования не является обычным явлением, поскольку обычно выбираются материалы, не растворяющиеся в припое.[25]

  • Алюминий - малая растворимость, вызывает вялость припоя и тусклый песчаный вид из-за образования оксидов. Добавление сурьмы к припоям приводит к образованию интерметаллидов Al-Sb, которые разделяются на окалина. Способствует охрупчиванию.
  • Сурьма - добавлено намеренно, до 0,3% улучшает смачивание, большие количества медленно ухудшают смачивание. Повышает температуру плавления.
  • Мышьяк - образует тонкие интерметаллиды с неблагоприятным воздействием на механические свойства, вызывает обезвоживание латунных поверхностей
  • Кадмий - вызывает вязкость припоя, образует оксиды и потускнение
  • Медь - наиболее распространенный загрязнитель, образует игольчатые интерметаллиды, вызывает инертность припоев, зернистость сплавов, снижение смачивания
  • Золото - легко растворяется, образует хрупкие интерметаллиды, загрязнение более 0,5% вызывает вялость и снижает смачивание. Понижает температуру плавления припоев на основе олова. Сплавы с высоким содержанием олова могут поглощать больше золота без охрупчивания.[26]
  • Утюг - образует интерметаллиды, вызывает песчанистость, но скорость растворения очень низкая; легко растворяется в свинце-олове при температуре выше 427 ° C.[13]
  • Свинец - вызывает проблемы с соблюдением RoHS при уровне выше 0,1%.
  • Никель - вызывает зернистость, очень мало растворим в Sn-Pb
  • Фосфор - образует олово и свинец фосфиды, вызывает зернистость и обезвоживание, присутствует при нанесении химического никелирования.
  • Серебро - часто добавляется намеренно, в больших количествах образует интерметаллиды, которые вызывают зернистость и образование прыщиков на поверхности припоя, что может привести к хрупкости
  • Сера - образует свинец и олово сульфиды, вызывает обезвоживание
  • Цинк - в расплаве образует избыточный шлак, в затвердевших соединениях быстро окисляется на поверхности; оксид цинка не растворяется во флюсах, что ухудшает ремонтопригодность; при пайке латуни могут понадобиться барьерные слои из меди и никеля, чтобы предотвратить миграцию цинка на поверхность; возможность охрупчивания

Обработка плат против накопления примесей в ванне для пайки волной:

  • HASL, бессвинцовый (уровень горячего воздуха): обычно практически чистое олово. Не загрязняет ванны с высоким содержанием олова.
  • HASL, этилированный: некоторое количество свинца растворяется в ванне
  • ENIG (иммерсионное золото, не содержащее никель): обычно 100-200 микродюймов никеля с 3-5 микродюймами золота сверху. Некоторое количество золота растворяется в ванне, но превышение пределов накопления редко.
  • Иммерсионное серебро: обычно 10–15 микродюймов серебра. Некоторое количество растворяется в ванне, превышение пределов накопления встречается редко.
  • Иммерсионное олово: не загрязняет ванны с высоким содержанием олова.
  • OSP (Органический консервант паяемости): обычно соединения класса имидазола, образующие тонкий слой на поверхности меди. Медь легко растворяется в ваннах с высоким содержанием олова.[27]

Поток

Электрический припой со встроенным полимерным сердечником, видимым как темное пятно на обрезанном конце припоя.
Основная статья: Флюс (металлургия)

Поток это Восстановитель разработан, чтобы помочь уменьшать (возвращают окисленные металлы в их металлическое состояние) оксиды металлов в точках контакта для улучшения электрического соединения и механической прочности. Двумя основными типами флюсов являются кислотный флюс (иногда называемый «активным флюсом»), содержащий сильные кислоты, используемый для ремонта металлов и водопровода, и канифоль флюс (иногда называемый «пассивным флюсом»), используемый в электронике. Канифольный флюс проявляет множество «действий», примерно соответствующих скорости и эффективности органических кислотных компонентов канифоли в растворении металлических поверхностных оксидов и, следовательно, коррозионной активности остатков флюса.

Из-за опасений по поводу загрязнение атмосферы и опасные отходы утилизация, электронная промышленность постепенно переходит от канифольного флюса к водорастворимому флюсу, который можно удалить с помощью деионизированная вода и моющее средство, вместо углеводород растворители. Водорастворимые флюсы обычно более проводящие, чем традиционно используемые электрические / электронные флюсы, и поэтому имеют больший потенциал для электрического взаимодействия с цепью; вообще важно удалить их следы после пайки. Некоторые следы флюса канифольного типа также должны быть удалены, и по той же причине.

В отличие от использования традиционных стержней или спиральных проволок из цельнометаллического припоя и ручного нанесения флюса на соединяемые детали, во многих случаях ручной пайки с середины 20-го века использовался припой с флюсовым сердечником. Он изготавливается в виде спиральной проволоки припоя с одним или несколькими сплошными телами из неорганической кислоты или канифольного флюса, встроенными в нее по длине. По мере того, как припой плавится на стыке, он высвобождает флюс, а также освобождает его от него.

Операция

Поведение при затвердевании зависит от состава сплава. Чистые металлы затвердевают при определенной температуре, образуя кристаллы одной фазы. Эвтектические сплавы также затвердевают при одной температуре, при этом все компоненты выделяются одновременно в так называемом совместный рост. Неэвтектические композиции при охлаждении начинают сначала осаждать неэвтектическую фазу; дендриты, когда это металл, большие кристаллы, когда это интерметаллическое соединение. Такая смесь твердых частиц в расплавленной эвтектике называется мягкий государственный. Даже относительно небольшая доля твердых частиц в жидкости может значительно снизить ее текучесть.[28]

Температура полного затвердевания - это солидус сплава, температура, при которой все компоненты расплавлены, - это ликвидус.

Мягкое состояние желательно там, где степень пластичности полезна для создания соединения, позволяя заполнять большие зазоры или протирать соединение (например, при пайке труб). При ручной пайке электроники это может быть вредным, поскольку соединение может казаться затвердевшим, пока оно еще не застыло. Преждевременное обращение с таким соединением приводит к нарушению его внутренней структуры и нарушению механической целостности.

Интерметаллиды

Много разных интерметаллические соединения образуются при затвердевании припоев и их реакции с припаянными поверхностями.[25] Интерметаллиды образуют отдельные фазы, обычно как включения в пластичной матрице твердого раствора, но также могут образовывать саму матрицу с включениями металлов или образовывать кристаллическое вещество с различными интерметаллидами. Интерметаллиды часто бывают твердыми и хрупкими. Мелкодисперсные интерметаллиды в пластичной матрице дают твердый сплав, а грубая структура дает более мягкий сплав. Между металлом и припоем часто образуется ряд интерметаллидов, доля металла возрастает; например формируя структуру Cu-Cu3Sn-Cu6Sn5-Сн. Между припоем и припаянным материалом могут образовываться слои интерметаллидов. Эти слои могут вызвать снижение механической надежности и хрупкость, повышенное электрическое сопротивление или электромиграцию и образование пустот. Интерметаллический слой золото-олово является причиной плохой механической надежности покрытых оловом позолоченных поверхностей, на которых позолота не полностью растворяется в припое.

В формировании паяного соединения играют роль два процесса: взаимодействие между подложкой и расплавленным припоем и рост интерметаллических соединений в твердом состоянии. Основной металл растворяется в расплавленном припое в количестве, зависящем от его растворимости в припое. Активный компонент припоя реагирует с основным металлом со скоростью, зависящей от растворимости активных компонентов в основном металле. Твердотельные реакции более сложны - образование интерметаллидов можно ингибировать, изменяя состав основного металла или припоя, или используя подходящие барьерный слой препятствовать диффузии металлов.[29]

Вот некоторые примеры взаимодействия:

  • Золото и палладий легко растворяются в припоях. Медь и никель имеют тенденцию к образованию интерметаллических слоев при нормальной пайке профилей. Индий также образует интерметаллиды.
  • Интерметаллиды индий-золото хрупкие и занимают примерно в 4 раза больше объема, чем исходное золото. Соединительные провода особенно подвержены воздействию индия. Такой рост интерметаллидов вместе с термоциклированием может привести к выходу из строя соединительных проводов.[30]
  • Часто используется медь, покрытая никелем и золотом. Тонкий слой золота способствует хорошей паяемости никеля, так как защищает никель от окисления; слой должен быть достаточно тонким, чтобы быстро и полностью раствориться, чтобы никель не подвергался воздействию припоя.[16]
  • Слои свинцово-оловянного припоя на медных выводах могут образовывать интерметаллические слои медь-олово; тогда припой локально обеднен оловом и образует богатый свинцом слой. В этом случае интерметаллиды Sn-Cu могут подвергнуться окислению, что приведет к ухудшению паяемости.[31]
  • Cu6Sn5 - часто встречается на границе раздела медь-припой, образуется преимущественно при наличии избытка олова; в присутствии никеля (Cu, Ni)6Sn5 соединение может быть образовано[19][6]
  • Cu3Sn - обычен на границе раздела припой-медь, предпочтительно образуется при избытке меди, более термически устойчив, чем Cu6Sn5, часто присутствует при пайке при более высокой температуре[19][6]
  • Ni3Sn4 - общий на стыке никель-припой[19][6]
  • FeSn2 - очень медленное формирование
  • Ag3Sn - при более высокой концентрации серебра (более 3%) в олове образует пластинки, которые могут служить очагами зарождения трещин.
  • AuSn4 - β-фаза - хрупкая, образуется при избытке олова. Вредно для свойств припоев на основе олова для позолоченных слоев.
  • AuIn2 - образуется на границе между золотом и свинцово-индийским припоем, действует как барьер против дальнейшего растворения золота
Матрица из интерметаллических припоев
БанкаСвинецИндий
МедьCu4Sn, Cu6Sn5, Cu3Sn, Cu3Sn8[19]Cu3In, Cu9В4
НикельNi3Sn, Ni3Sn2, Ni3Sn4 NiSn3Ni3In, NiIn Ni2В3, Ni3В7
УтюгFeSn, FeSn2
ИндийВ3Sn, InSn4В3Pb–
СурьмаСбСн
ВисмутBiPb3
СереброAg6Sn, Ag3SnAg3In, AgIn2
ЗолотоAu5Sn, AuSn AuSn2, AuSn4Au2Pb, AuPb2AuIn, AuIn2
ПалладийPd3Sn, Pd2Sn, Pd3Sn2, PdSn, PdSn2, PdSn4Pd3In, Pd2В, PdIn Pd2В3
ПлатинаPt3Sn, Pt2Sn, PtSn, Pt2Sn3, PtSn2, PtSn4Pt3Pb, PtPb PtPb4Pt2В3, PtIn2, Pt3В7

Преформа

Преформа - это предварительно изготовленная форма припоя, специально разработанная для того приложения, в котором она будет использоваться. Для изготовления преформ припоя используется множество методов, наиболее распространенными являются штамповки. Заготовка припоя может содержать припой, необходимый для процесса пайки. Это может быть внутренний флюс внутри заготовки припоя или внешний с покрытием заготовки припоя.

Подобные вещества

Стеклянный припой используется для присоединения очки в другие очки, керамика, металлы, полупроводники, слюда, и другие материалы в процессе, называемом склеивание стеклянной фритты. Стеклянный припой должен течь и смачивать паяные поверхности значительно ниже температуры, при которой происходит деформация или разрушение любого из соединенных материалов или близлежащих структур (например, слоев металлизации на чипах или керамических подложках). Обычная температура достижения растекания и смачивания составляет от 450 до 550 ° C (от 840 до 1020 ° F).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б "припой". Оксфордские словари.
  2. ^ Оксфордский американский словарь
  3. ^ Франк Оберг, Франклин Д. Джонс, Холбрук Л. Хортон, Генри Х. Райффель, ред. (1988) Справочник по машинам 23-е издание Industrial Press Inc., стр. 1203. ISBN  0-8311-1200-X
  4. ^ Огунсейтан, Оладеле А. (2007). «Польза для здоровья населения и окружающей среды от применения бессвинцовых припоев». Журнал Общества минералов, металлов и материалов. 59 (7): 12–17. Bibcode:2007JOM .... 59г..12О. Дои:10.1007 / s11837-007-0082-8.
  5. ^ Харпер, Дуглас. "припой". Интернет-словарь этимологии.
  6. ^ а б c d Нан Цзян (2019). «Вопросы надежности бессвинцовых паяных соединений в электронных устройствах». Наука и технология перспективных материалов. 20 (1): 876–901. Дои:10.1080/14686996.2019.1640072. ЧВК  6735330. PMID  31528239. открытый доступ
  7. ^ "Основная информация о оловянных усах". nepp.nasa.gov. Получено 27 марта 2018.
  8. ^ Крейг Хиллман; Грегг Киттлсен и Рэнди Шуэллер. «Новый (лучший) подход к снижению воздействия оловянных усов» (PDF). Решения DFR. Получено 23 октября 2013.
  9. ^ Свойства припоев. farnell.com.
  10. ^ «Кодекс США: раздел 42. Общественное здоровье и благополучие» (PDF). govinfo.gov. п. 990.
  11. ^ Х. Л. Нидлман; и другие. (1990). «Долгосрочные эффекты воздействия низких доз свинца в детстве. Отчет о 11-летнем наблюдении». Медицинский журнал Новой Англии. 322 (2): 83–8. Дои:10.1056 / NEJM199001113220203. PMID  2294437.
  12. ^ Джозеф Р. Дэвис (2001). Легирование: понимание основ. ASM International. п. 538. ISBN  978-0-87170-744-4.
  13. ^ а б c Ховард Х. Манко (2001). Припои и пайка: материалы, дизайн, производство и анализ для надежного соединения. McGraw-Hill Professional. п. 164. ISBN  978-0-07-134417-3.
  14. ^ А.С. Тан (1989). Свинцовая отделка в полупроводниковых приборах: пайка. World Scientific. п. 45. ISBN  978-9971-5-0679-7.
  15. ^ Мадхав Датта; Тэцуя Осака; Иоахим Вальтер Шульце (2005). Микроэлектронная упаковка. CRC Press. п. 196. ISBN  978-0-415-31190-8.
  16. ^ а б Карл Дж. Путтлиц; Кэтлин А. Сталтер (2004). Справочник по технологии бессвинцовой пайки для микроэлектронных сборок. CRC Press. п. 541. ISBN  978-0-8247-4870-8.
  17. ^ а б Санка Ганешан; Майкл Печт (2006). Бессвинцовая электроника. Вайли. п. 110. ISBN  978-0-471-78617-7.
  18. ^ Питер Биокка (19 апреля 2006 г.). «Бессвинцовая ручная пайка - конец кошмаров» (PDF). Кестер. Получено 20 октября 2019.
  19. ^ а б c d е ж грамм час Мэн Чжао, Лян Чжан, Чжи-Цюань Лю, Мин-Юэ Сюн и Лэй Сун (2019). «Структура и свойства бессвинцовых припоев Sn-Cu в корпусах электроники». Наука и технология перспективных материалов. 20 (1): 421–444. Дои:10.1080/14686996.2019.1591168. ЧВК  6711112. PMID  31489052.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь) открытый доступ
  20. ^ Каушиш (2008). Процессы изготовления. PHI Learning Pvt. ООО п. 378. ISBN  978-81-203-3352-9.
  21. ^ а б c Кинг-Нин Ту (2007) Технология паяных соединений - материалы, свойства и надежность. Springer. ISBN  978-0-387-38892-2
  22. ^ «Текучесть эвтектического бессвинцового припоя Sn-Cu, модифицированного Ni» (PDF). Получено 2019-09-07.
  23. ^ И. Р. Уокер (2011). Надежность научных исследований: повышение надежности измерений, расчетов, оборудования и программного обеспечения. Издательство Кембриджского университета. С. 160–. ISBN  978-0-521-85770-3.
  24. ^ "Балвер Зинн Дезокси РСН" (PDF). balverzinn.com. Получено 27 марта 2018.
  25. ^ а б Майкл Печт (1993). Процессы и оборудование для пайки. Wiley-IEEE. п. 18. ISBN  978-0-471-59167-2.
  26. ^ «Выбор припоя для фотонной упаковки». 2013-02-27. Получено 20 августа 2016.
  27. ^ SN100C® Техническое руководство. floridacirtech.com
  28. ^ Кейт Свитман и Тетсуро Нисимура (2006). «Текучесть эвтектического бессвинцового припоя Sn-Cu, модифицированного Ni» (PDF). Nihon Superior Co., Ltd.
  29. ^ Д. Р. Фрир; Стив Берчетт; Гарольд С. Морган; Джон Х. Лау (1994). Механика межсоединений из припоя. Springer. п. 51. ISBN  978-0-442-01505-3.
  30. ^ Индиевый припой, инкапсулирующий золотой соединительный провод, ведет к хрупким соединениям золота и индия и вызывает ненадежное состояние, которое приводит к разрыву межсоединений проводов. Консультации GSFC NASA]. (PDF). Проверено 9 марта 2019.
  31. ^ Дженни С. Хван (1996). Современная паяльная технология для конкурентоспособного производства электроники. McGraw-Hill Professional. п. 397. ISBN  978-0-07-031749-9.

внешняя ссылка