Бессвинцовый припои и оловянная чума

Состав, свойства и особенности припоев без свинца

Ликвидируем безграмотность в таком вопросе, как бессвинцовые припои.

Припои, в составе которых присутствует свинец, называют свинцовыми или свинцовосодержащими.

Стоит отметить тот факт, что соединения свинца вредны для здоровья. В том числе и по этому, в последнее время всё активнее применяются не содержащие свинец припои.

В Европе и США с недавних времён, а точнее с июля 2006 года директивой RoHS принят запрет на использование свинец-содержащих припоев в производстве электроники. Под раздачу также попали такие химические элементы, как кадмий, ртуть, шестивалентный хром и некоторые другие. Их содержание в электронных компонентах строго нормировано.

Наверняка Вы уже наблюдали вот такой логотип на корпусе своего ноутбука или другого электронного устройства (см. фото). Он обозначает, что устройство собрано с применением бессвинцовой технологии.

Эмблема RoHS на корпусе нетбука

Не считайте, что применение бессвинцовых технологий чем-то улучшает потребительские качества электроники. Возможно это и так. Японцы, например, давно занимаются разработкой и внедрением бессвинцовых технологий в производство и, естественно, добились в этом успехов.

Но для тех производителей, которые впервые столкнулись с ограничениями на применение свинца, возникает вопрос переоснащения производства и, как следствие, это удорожает электронную продукцию.

Стоит отметить тот факт, что бессвинцовая технология пайки требует применения соответствующих радиоэлектронных компонентов, адаптированных для пайки припоями без свинца. По сравнению с обычными свинцовыми припоями, они имеют пониженные характеристики по смачиваемости и текучести, требуют соблюдения дополнительных технологических мер при пайке, так как возникает необходимость в выдержке узкой границы термопрофиля.

Известно, что оптимальной температурой при пайке свинец-содержащими припоями считается температура 180 – 230 0 C. Температура плавления большинства бессвинцовых припоев лежит в интервале 200 – 250 0 C. Есть и такие, температура плавления которых ниже 180 0 С.

Припои, не содержащие свинца, дороже обычного свинцово-оловянного. Также вызывает много споров качество пайки бессвинцовыми припоями.

Итак, перейдём ближе к теории.

Для замены свинца в припое применяются такие металлы, как медь (Cu), серебро (Ag), висмут (Bi), индий (In), цинк (Zn) и даже золото (Au).

В изготовлении электроники хорошо зарекомендовал себя трёхкомпонентный сплав олова, серебра и меди (SnAgCu). Процентное соотношение металлов в сплаве может быть разным – до сих пор нет строгого мнения по этому вопросу. Несмотря на это, большую часть в сплаве занимает олово (95-97%). Температура расплавления данного сплава составляет 217-221 0 C. Чтобы он был пригоден для пайки волной, в него вводят небольшой процент сурьмы (0,5%).

Сплав SnAgCu с добавлением сурьмы (Sb) применяется в изготовлении особо ответственных узлов в оборонной технике и автономных устройствах.

Сплав	Температура плавления, 0 C
Sn96,5/Ag3/Cu0,5	221
Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7	217
Sn96,7/Ag2/Cu0,8/Sb0,5	216 - 222

Хорошими качествами обладают припои, в которых роль свинца выполняет серебро (SnAg).

Сплав	Температура плавления, 0 C
Sn96,5/Ag3,5	221
Sn98/Ag2	221 - 226

Наличие в сплаве серебра улучшает механические свойства пайки. Тестами доказано, что припои, содержащие серебро, делают пайку более прочной, чем аналогичные свинцовосодержащие. Кроме того, серебро обладает хорошей проводимостью. Нередко такие сплавы применяются в профессиональной промышленной электронике и системах связи, где механическая надёжность и качество соединения очень важно.

В сплаве Sn42Bi58 вместо свинца используется висмут (его содержание - 58%). За счёт висмута улучшается легкоплавкость (температура плавления 133-140 0 C), но ухудшается смачиваемость.

Используется в плавких предохранителях, а также при ступенчатой пайке и монтаже деталей и компонентов, чувствительных к высокой температуре.

Припои с содержанием висмута (Bi), индия (In), цинка (Zn) и серебра (Ag).

Сплав	Температура плавления, 0 C
Sn93,5/Ag3,5/Bi3	206 - 213
Sn90,5/Ag2/Bi7,5	207 - 212
Sn89/Bi3/Zn8	189 - 199
Sn70/Bi20/In10	143 - 193
Bi67/In33	107 - 112

Припои с содержанием висмута и индия обладают высокой стоимостью. На поставки этих металлов есть ограничения. Также их не рекомендуют применять в приборах с высокой температурой эксплуатации.

Высокотемпературные припои на основе сурьмы (Sb) и золота (Au).

Сплав	Температура плавления, 0 C
Sn95/Sb5	232 - 240
Sn20/Au80 (Золотой припой)	280

Припой Sn91Zn9 считается высокотемпературным (91% олова и всего лишь 9% цинка). Температура его плавления составляет 195-200 0 C. Высокую температуру плавления данному сплаву придаёт практически 100% содержание олова, которое также способствует увеличению прочности.

Припои с содержанием цинка заслужили нелучшую славу. Причина в том, что цинк придаёт сплаву повышенную химическую активность и низкую коррозийную стойкость. В связи с этим, припои на основе цинка требуют использования активных флюсов, а это требует обязательной отмывки после пайки. Припойные пасты с содержанием цинка нельзя долго хранить. А пайку ими рекомендуется вести в среде защитного газа.

Наиболее удачным для замены оловянно-свинцового припоя Sn63Pb37 является близкий по свойствам сплав Sn95,5Ag3,8Cu0,7. Он применяется для пайки оплавлением при поверхностном монтаже элементов.

Двухкомпонентный припой Sn99,3Cu0,7 имеет низкую прочность пайки и довольно высокую температуру расплавления в 227 0 C. По сравнению с оловянно-медными припоями лучшими качествами, как по смачиваемости, так и по прочности, обладают серебросодержащие. Так припой Sn96,5Ag3,5 успешно применяется при сборке специальной аппаратуры. Тесты показали, что он имеет более высокие показатели надёжности по сравнению с аналогичными свинцовыми припоями.

Как видим, есть припои, в которых свинец отсутствует вовсе, и его нет даже в небольшом процентном отношении. Но так ли плох свинец на самом деле?

Свинец, как в виде сплава, так и в чистом виде известен человечеству давно. Использовался для изготовления даже водопровода в Древнем Риме! Да, именно так, хотя его химические соединения опасны для здоровья, он имеет свойство накапливаться в организме.

Свинец довольно дёшев и обладает свойствами, которые придают припою необходимые характеристики. В связи с этим, с помощью свинца и заменяют олово в припое. Свинец устойчив к действию серной кислоты, применяется для опрессовки кабеля. Без свинца не могло бы быть такого важного направления как ядерная энергетика.

Чистым оловом также можно производить пайку, но оно довольно дорого, обладает высокой температурой плавления (231,9 0 C) и таким нежелательным, но удивительным свойством, как "оловянная чума".

Самое забавное, что принимаются попытки замены свинца на другие компоненты в таких сферах как производство оружия. Ни для кого не секрет, что пули изготавливают, в том числе, и из свинца.

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нагреватели обычно изготавливают из следующих сплавов:

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал	Температурный коэффициент α
Кремний	-0,075
Германий	-0,048
Манганин	0,00002
Константан	0,00005
Нихром	0,0004
Ртуть	0,0009
Сталь 0,5% С	0,003
Цинк	0,0037
Титан	0,0038
Серебро	0,0038
Медь	0,00386
Свинец	0,0039
Платина	0,003927
Золото	0,004
Алюминий	0,00429
Олово	0,0045
Вольфрам	0,0045
Никель	0,006
Железо	0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Замыкают список совсем легкоплавкие припои:

Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Применяются для лужения печатных плат любителями, так как плавятся в горячей воде, и можно резиновым шпателем под слоем кипящей воды быстро покрыть припоем медную фольгу печатной платы. В технике их используют для пайки деталей, не выдерживающих нагрева до обычной температуры припоев, или в тех случаях, когда зачем-то нужен очень легкоплавкий металл (например, для датчика температуры).

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

Хромель (90% Ni, 10% Cr)
Копель (43% Ni, 2-3% Fe, 53% Cu)
Алюмель (93-96% Ni, 1,8-2,5% Al, 1,8-2,2% Mn, 0,8-1,2% Si)
Платина (100% Pt)
Платина-родий (10-30% Rh)
Медь (100% Cu)
Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)

Соединяя два проводника из двух разных металлов получают термопары, например термопара типа K (ТХА — Термопара Хромель-Алюмель). Самые распространенные пары: хромель-алюмель, хромель-копель, медь-константан (для низких температур), платина-платинородий (для точных измерений и для высоких температур).

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Как видно из таблицы, традиционная технология пайки с использованием оловянно-свинцовых припоев полностью совместима с новыми Pb-free компонентами (за исключением интегральных микросхем в корпусах BGA и редко используемых покрытий с использованием висмута). Интегральные микросхемы с многослойным покрытием выводов золотом, палладием и никелем (Au-Pd-Ni) (этот материал выбран в качестве основного, к примеру, фирмами Texas Instruments и ST Microelectronics) имеют наименьшую вероятность несовместимости с технологией пайки. В таб. 3 приведен краткий обзор наиболее популярных припоев для традиционной и Pb-free технологий.

Таблица 3. Основные типы припоев, используемых в электронной промышленности и их особенности

При ручной пайке Lead-free припоями (SAC-305) можно дать следующие рекомендации:

Температуру жала следует повысить до 343°C (по сравнению с 315°C для оловянно-свинцовых припоев)
Для защиты жала паяльной станции от окисления следует более тщательно очищать его и, по возможности, держать жало полностью покрытым припоем
Использовать разные жала для пайки оловянно-свинцовыми и Lead-free припоями во избежание их смешивания
Для соблюдения необходимых температурных профилей следует увеличить время разогрева и скорость охлаждения (жало следует убирать быстрее)

При выполнении этих рекомендаций и достаточной квалификации монтажников, качество ручной пайки Lead-free припоями соответствует наиболее высокому классу III требований IPC [8].

Что касается флюсов, клеев, смывок и других вспомогательных веществ для пайки, подавляющее их большинство может быть использовано как в традиционной технологии, так и при высокотемпературной пайке Lead-free припоями. То же касается и технологического оборудования (для нанесения паяльных паст и т.д.).

Другие аспекты

Важным моментом является тот факт, что повышенная температура пайки приводит к более высокой чувствительности компонентов к влажности. Это связано с тем, что повышение температуры пайки всего на 25°C приводит к примерно 1,5-кратному повышению давления водяного пара внутри компонента, что может вызвать различные механические дефекты. Чувствительность электронных компонентов к влажности стандартизирована [4] и выражается в так называемом уровне чувствительности к влажности (MSL - Moisture Sensitivity Level). При переходе на Lead-free технологии производители стремятся сохранить уровень MSL, однако это получается не всегда. В ряде случаев компоненты, выполненные по новой технологии, имеют более низкий уровень MSL, что приводит к ужесточению требований при их хранении (разумеется, лишь в случае использования высокотемпературных профилей пайки).

В то же время, при чётком соблюдении требований к профилям пайки, большинством исследователей отмечается в целом более высокое качество пайки при использовании Lead-free технологий. Следует лишь иметь в виду, что характер наиболее часто встречающихся дефектов при переходе на новые технологии может измениться, что потребует адекватных изменений в системе контроля качества. Особенно это касается компонентов, выводы которых имеют покрытие Au-Pd-Ni, визуальный контроль качества пайки которых имеет существенные отличия.

Следует также отметить проблему несовместимости некоторых традиционных электронных компонентов с Lead-free технологиями пайки. В первую очередь, это электролитические конденсаторы, большинство из которых имеет максимально допустимую температуру пайки в 225°C. Также следует обращать внимание на максимально допустимую температуру пайки моточных компонентов (дроссели, трансформаторы, реле и т.д.). В таких случаях можно рекомендовать в качестве временного решения ручную пайку термочувствительных элементов после пайки в печке, а в качестве долговременного – переход на более высокотемпературные компоненты (например, танталовые и керамические конденсаторы взамен электролитических).

Выводы

Интегральные микросхемы и пассивные компоненты без содержания свинца (Lead-free, Pb-free) составляют всё больший процент среди электронных компонентов, в дальнейшем следует ожидать полного отказа от свинца в электронной промышленности. Экспортёрам продукции в страны ЕЭС и др. страны в самое ближайшее время придётся соблюдать требования директивы Евросоюза о запрещении использования опасных химических элементов в электронной продукции.

Подавляющее большинство компонентов без использования свинца совместимы со стандартными технологиями пайки оловянно-свинцовыми припоями (за исключением микросхем в корпусах BGA). В то же время, не все компоненты, произведенные по традиционной технологии совместимы с высокотемпературными технологиями пайки Lead-free припоями.

Использование наиболее популярных бессвинцовых припоев (сплав SAC) требует изменения профиля пайки (повышения температуры). Профили пайки стандартизированы JEDEC.

Высокотемпературные Lead-free технологии пайки требуют более жёсткого контроля параметров (температуры и скорости её изменения). В первую очередь, это касается инфракрасных печек, где параметры контролируются не так тщательно, как в конвекционных. Кроме этого, в некоторых случаях требуется модификация систем контроля качества. Также при изменении технологии пайки следует обращать внимание на условия хранения компонентов, в частности, учитывать уровень чувствительности к влажности (MSL). C другой стороны, при использовании Lead-free технологий повышается общее качество пайки, в частности, механические характеристики.

При выполнении ряда рекомендаций ручная пайка высокотемпературными Lead-free припоями обеспечивает все необходимые требования по качеству.

Литература

При подготовке материала также использованы данные фирм-производителей.

Аркадий Медведев, профессор Московского авиационного института

Есть ли будущее у бессвинцовой технологии? Не тупиковая ли это ветвь развития электроники? В статье, предлагаемой Вашему вниманию, дается оценка ситуации, которая сложилась в отечественной электронной индустрии. С какими проблемами нам предстоит столкнуться при продвижении в производство бессвинцовых технологий? Насколько продвижение этих технологий необходимо российской электронной промышленности?

По прошествии более чем пяти лет апробации бессвинцовых технологий монтажной пайки, технологических исследований и законодательного творчества экологов можно еще раз вернуться к этой теме с тем, чтобы сделать трезвую оценку сложившейся ситуации. Насколько продвижение в производство бессвинцовых технологий серьезно и опасно для российской электронной промышленности? С какими проблемами нам предстоит столкнуться?

Свинец — мягкий, ковкий, широко распространенный металл, задолго до нашей эры известный народам Месопотамии, Египта и других стран древнего мира. Благодаря хорошей ковкости, легкоплавкости и доступности свинца даже в эти древние времена из него отливали статуэтки, предметы домашнего обихода, таблички для письма. Римляне изготавливали из свинца трубы для водоснабжения дворцов. Благодаря нулевой диффузионной константе и хоро-

шей способности к пластической деформации свинцом опрессовывают подводные телеграфные кабели, проходящие по дну океанов. Такой кабель между Европой и Америкой длиной 3750 км был проложен в 1886 г. и до сих пор не истлел. Это ли не убедительная демонстрация химической инертности металлического свинца?

По объему производства свинец занимает четвертое место среди цветных металлов после алюминия, меди, цинка. Более 50% мировой добычи свинца используется в кислотных аккумуляторах. Около 20% добываемого свинца имеет очень разнообразное применение. Это, например:

— защитные оболочки кабелей;

— уплотнения швов и стыков труб в химической промышленности и канализации;

— скользящие свинцово-графито-вые электроды транспорта;

— графитовые сердечники карандашей;

— краски (свинцовые белила, свинцовый сурик);

— глазурь на гончарных изделиях

Еще 20% добываемого свинца используется в картечи и сердечниках пуль и только около 1% — в припоях. Чем же обусловлено такое внимание экологов к столь незначительному сектору применения металлического свинца?

Никто не спорит с тем, что соединения свинца ядовиты. Постоянный контакт со свинцом способствует его накоплению в организме, что ведет к разрушению нервной системы и может иметь отрицательное влияние на кровеносную, эндокринную системы и почки. Но основные источники загрязнения окружающей среды свинцом это:

— металлургические предприятия (более 100 тыс. т в год);

— выхлопные газы бензиновых автомобилей, использующих этилированный бензин (до 200 тыс. т в год);

— сточные воды промышленных предприятий (выброс в Мировой океан порядка 500 тыс. т в год);

— мусор, содержащий свинец (аккумуляторы в количествах, неподдающихся учету).

При объеме добычи металлического свинца в количестве 5 млн. тонн в год эти потери превышают 10%. Как можно соразмерить экологические проблемы использования металлического свинца в припоях на фоне общих его потерь в самой вредной форме — химических соединениях?

Предельно допустимые концентрации свинца в воздухе рабочей зоны — 0,01 мг/м 3 , в атмосферном воздухе — 0,003 мг/м 3 , в воде — 0,03 мг/л, в почве — 20,0 мг/кг. По данным WEEE (Waste Electrical and Electronics Equipment), в Европе более 6 млн. т изделий электроники и электротехники было выброшено в отходы. Если представить себе, что содержание свинца в них 0,1%, то в отвалах оказалось 6 т металлического свинца. Представляют ли они опасность? Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить, что металлический свинец химически мало активен. Свежая поверхность свинца быстро окисляется с образованием тончайшей окисной пленки PbO, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Кислоты не растворяют свинец, поэтому его используют в качестве нерастворимого анода в процессах электролиза. Вероятно, вследствие этого многочисленные пробы грунтовых вод вблизи городских полигонов (свалок), проведенные в 1998 г., не показали ни одного случая превышения норм содержания свинца [1].

Но все же, если согласиться с точкой зрения экологов о вреде металлического свинца для окружающей среды, то единственный ли это путь — изъятие его из производства? Мы можем предложить и другой выход из сложившейся ситуации — утилизацию электронного хлама. Подобные законодательные инициативы приняты в ряде европейских стран: Германии, Швейцарии, Дании, Швеции, Норвегии, Японии. В этих странах пользователи электронных и электрических приборов могут вернуть их в точки

розничной продажи или муниципальные пункты сбора мусора, откуда выработавшая свой ресурс аппаратура направляется в переработку.

Тем не менее, существует немало компаний (главным образом, в Японии), переходящих на бессвинцовую технологию. В США под эгидой IPC проводятся активные исследования для содействия производствам в переходе на бессвинцовую технологию. Европейский союз в феврале 2003 г. узаконил программу полного перехода на бессвинцовую технологию, начиная с июня 2006 г. С этой даты какие-либо свинецсодержащие продукты не должны ни производиться в Европе, ни ввозиться в нее. После 2006 г. под этот запрет будут подпадать все автомобили, невзирая на возраст. Вместе со свинцом вне закона объявлены ртуть, кадмий, шестивалентный хром, polybrominated biphenyls (РВВ) и polybrominated diphenyls ethers (PBDE). Китай также рассматривает возможность принятия подобного решения с незначительными изменениями.

В связи с реалиями времени перед нами встает целый ряд вопросов:

— какие проблемы мы сможем преодолеть при переходе на бессвинцовые технологии монтажной пайки?

— какие альтернативы можно предложить эвтектическому сплаву

олово-свинец с температурой плавления 183°С?

— какие компоненты бессвинцовых припоев можно использовать без экологических проблем?

Для ответа на эти вопросы в Европе и США был проведен ряд исследований. Их результаты, касающиеся оценки токсичности потенциальных компонентов сплавов для монтажной пайки, приводятся в таблице 1.

Таблица 1. Оценка токсичности потенциальных компонентов сплавов для монтажной пайки

Компонент

Степень токсичности

Оценка

свинец

высокотоксичный

высокий риск

кадмий

чрезвычайно токсичный

высокий риск

сурьма

токсичный, канцероген

средний риск

серебро

нетоксичный

нет риска

медь

слаботоксичный

малый риск

олово

слаботоксичный

низкий риск

цинк

слаботоксичный

низкий риск

висмут

безвреден

низкий риск

Очевидно, что олово и в будущем останется основным компонентом припоя монтажной пайки. Сплавы SnAgCu рассматриваются как наиболее перспективные. Наиболее лидирующие припои на их основе следующие:

— в США — Sn3,9Ag0,6Cu (рекомендован NEMI — National Electronic Manufacturing Industry);

— в Европе — Sn3,8Ag0,7Cu (рекомендован Европейским Консорциумом Brite/EuRam);

— в Японии — Sn3,0Ag0,5Cu (рекомендован JEIDA — Japanese Electronic Industry Development Association).

На испытаниях SnAgCu проявляет функциональную эквивалентность эвтектическому сплаву SnPb(Ag). Однако SnAgCu плавится при 217°С, что на 34°С больше, чем SnPb. Печатные платы, компоненты, флюсы, подверженные высоким температурам пайки, испытывают большие термодинамические воздействия, которые могут провоци-

ровать разрушения, дефекты и снижать надежность межсоединений. Динамику этих процессов можно оценить из известных представлений об ускорении процессов термодеструкции. С увеличением температуры на каждые 8°С количество дефектов будет увеличиваться в два раза.

Коротко опишем особенности других компонентов сплавов, имеющих меньшую температуру плавления:

— висмут, серебро и индий могут содержаться в сплавах только в малых дозах из-за их дороговизны;

— кадмий токсичен и не может использоваться;

— сурьма токсична, но в меньшей мере, чем свинец и кадмий, поэтому может использоваться в незначительных концентрациях;

— цинк снижает температуру плавления, доступен, дешев, но при пайке шламит из-за интенсивного окисления и способствует процессу коррозии.

Приходится считаться с тем, что эти компоненты сплавов малодоступны для массового производства. Свойства бессвинцовых припоев показаны в таблице 2.

Таблица 2. Свойства бессвинцовых припоев

Свойства

Ед. измер.

Sn(3,5. 4,0) Ад(0,5. 0,7) Си

Sn4,7 Ад1,7 Си

Sn(3,5. 5,0) Ад

Sn3,5 Ад4,8 Bi

Sn3,5 Ag1,0 Bi

Sn58 Bi

Sn0,7 Си

Sn0,5 Cu0,1 Ni

Sn9 Zn

Sn8 Zn3 Bi

Ликвидус (Т„)

220. 225

244

220. 240

211

219

138

227

199

191

Солидус (Т_с)

217

221

215

220

138

227

199

198

Плотность

г/см 3

7,5

7,4

7,6

8,75

7,3

Поверхностное натяжение в естественной атмосфере (приТ„ = 5'С)

мН/мм

431

319

518

Поверхностное натяжение в азоте (при Т„ = 5°С)

Читайте также: