Оценка качества монтажных соединений электронной аппаратуры

В течение многих лет золото считалось прекрасно паяемым материалом, но в настоящее время широкое использование данного металла прекращается.

Растворимость кадмия в твердом олове и твердом свинце пренебрежимо мала. При повышенной температуре возникает интерметаллическая фаза. Однако примерно при 130°С имеет место преобразование, в результате которого эта фаза распадается. Кадмий встречается

во многих специальных припоях, предназначенных для работы при низких температурах. Но в случае, если припой подводится из ванны расплава, то кадмий повышает густоту припоя, и при медленном охлаждении ванны на ее дне можно обнаружить шлам, содержащий большую часть кадмия. Очевидно, припой сегрегирует вследствие разницы в температурах плавления тройного сплава и чистого оловянно-свинцового припоя; возможно также, что присутствие кадмия способствует развитию в ванне загрязняющих пленок и толстых окисных слоев.

Магний оказывает на припои такое же действие, как и алюминий. Растворимость магния в олове при комнатной температуре ничтожна, хотя образуется интерметаллическое соединение состава MgSn2. В свинце магний нерастворим: образующееся в данной системе интерметаллическое соединение имеет состав Mg2Pb. Так как в электронике магниевые детали встречаются редко, то этот металл в припой почти никогда не вводится.

Медь растворяется в олове и свинце в пренебрежимо малых количествах. Вместе с тем она дает с оловом два интерметаллических соединения (орторомбические Си2Sn и Си6Sn5). Эти соединения существуют при комнатных температурах и при микрографическом исследовании легко обнаруживаются в виде гексагональных игл, плавающих в припое.

По-видимому, мышьяк не дает твердых растворов ни с оловом, ни со свинцом. На микроструктурах можно наблюдать длинные иглы интерметаллических соединений SnАs2 и SnАs. Так как при пайке узлов электронного оборудования источники попадания мышьяка в ванну отсутствуют, то данный элемент, вряд ли может создавать трудности, связанные с его захватом. В сырье количество мышьяка строго контролируется.

Никель ни с оловом, ни со свинцом твердых растворов не дает. Однако никель образует с оловом три интерметаллических соединения (Ni3Sn, Ni3Sn2 и Ni3Sn4). Имеются данные о том, что сера ухудшает смачивание и считается опасной уже в количестве 0,03%. Серу иногда можно вывести из расплава, добавляя в него нашатырь, после чего ванна снова пригодна для пользования. Однако в высококачественном припое количество серы не должно превышать нескольких частей на миллион.

Ни со свинцом, ни с оловом серебро твердых растворов не дает; имеются два интерметаллических соединения серебра с оловом (Аg6Sn и Аg3Sn).

При содержании до нескольких процентов серебро в оловянно-свинцовых припоях не считается примесью; при более значительном количестве этого металла припой может загустевать, давая на паяемых поверхностях небольшие бугорки.

Серебро обычно добавляют в припои для пайки серебреной керамики или других тонких слоев этого металла, чтобы предотвратить уход серебра из таких слоев. Если количество серебра в припое превышает 2%, то при охлаждении ванны в ней будет оседать интерметаллическое соединение серебра с оловом, которое удаляют тем же способом, какой был описан для меди.

В олове при комнатной температуре растворяется 6-8% сурьмы, в свинце же при этих температурах растворимость сурьмы мала. Небольшие (до 0,3 %) добавки сурьмы улучшают смачиваемость припоя, в то время как добавки большего количества, постепенно ухудшают смачиваемость. Сурьму используют для того, чтобы затормозить переход олова в его серую модификацию, иногда называемую оловянной чумой. В соответствии с некоторыми государственными стандартами присутствие сурьмы в припое обязательно. Во многих припоях специального назначения сурьма присутствует в сравнительно больших количествах. Проблемы загрязнения припоя сурьмой несущественны, так как ее попадание в расплав маловероятно.

Цинк почти не растворим в твердом олове и, видимо, совсем не растворяется в свинце. Ни с одним из этих компонентов припоя цинк твердых растворов не дает. Имеются сообщения о том, что цинк резко ухудшает свойства припоя. По опубликованным данным уже в количестве 0,005% цинк приводит к недостаточному сцеплению, зернистости и склонности к разрушению припоя во время затвердевания. В электронном оборудовании цинк встречается редко.

На рисунке 1.2 показано влияние окислов и газовых включений на припой. В обычном прутке на поверхности видно сравнительно большое количество окисных включений и обесцвеченных пятен; на поверхности отмечаются также сильная пористость и газовые карманы. Образец припоя вакулой (припой переплавленный в вакууме для удаления газовых включений) имеет блестящую поверхность, газовые карманы отсутствуют.

Рисунок 1.2 – Влияние обезгаживания на припой

Сплав одинаковых количеств олова и свинца должен иметь в основном богатую свинцом фазу α в сетке эвтектического состава. Такая структура действительно наблюдается в прутке обычного припоя в состоянии после отливки. Однако при том же увеличении в литом прутке припоя вакулой наблюдается существенно дендритная структура фазы α внутри эвтектической сетки. Данное явление можно объяснить наличием или отсутствием центров кристаллизации внутри охлаждающейся жидкости; в одном случае – в обычном образце – это приводит к возникновению многочисленных небольших кристалликов вокруг большого количества окислов и включений, а в другом – в припое вакулой – к образованию гораздо меньшего числа крупных кристаллов чистого металла.

Таким образом, с чисто научной точки зрения сплав вакулой представляет собой свободный от окислов и газовых включений материал с меньшим количеством центров кристаллизации. Установлено, что он обладает более высокой смачиваемостью для большого числа основных металлов и при затвердевании дает более гладкую и блестящую поверхность. В промышленности этот припой в ряде случаев снизил количество брака на 90 %, позволил получать соединения меньшей толщины и улучшить профиль детали, облегчил контроль соединений; кроме того, внедрение данного припоя привело к одному очень важному побочному эффекту – возможности получить из 1 кг припоя большее число соединений. Ввиду высокой чистоты и малого содержания неметаллических окислов сплав вакулой в производстве получается более стабильным по свойствам и дает более однородные результаты уже при первоначальной плавке.

Особое влияние на свойства припоя оказывают интерметаллические соединения. Приводятся экспериментальные данные по влиянию примесей и присадок на микроструктуру эвтектического оловянно-свинцового припоя. Проводились исследования образующихся в припое интерметаллических соединений и их влияние на микроструктуру сплава, были проведены эксперименты, в ходе которых в эвтектический оловянно-свинцовый припой 63/37 вводилось 15% (по весу) основных присадок и загрязнений. Ниже приводится краткое описание возникавших микроструктур.

 Скачать реферат