Припой

Паяное соединение, используемое для прикрепления провода к сквозному контакту компонента на задней стороне печатной платы (необычное применение таких соединений).

Припой ( Великобритания : / ˈ s ɒ l d ə , ˈ s ə ʊ l d ə / ; ^[1] NA : / ˈ s ɒ d ər / ) ^[2] представляет собой легкоплавкий металлический сплав, используемый для создания прочного соединения между металлическими заготовками. Припой расплавляют, чтобы смочить части соединения, где он прилипает и соединяет детали после охлаждения. Металлы или сплавы, пригодные для использования в качестве припоя, должны иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. Припой также должен быть устойчив к окислительным и коррозийным воздействиям, которые со временем могут привести к разрушению соединения. Припой, используемый для электрических соединений, также должен иметь хорошие электрические характеристики.

Мягкий припой обычно имеет температуру плавления от 90 до 450 ° C (от 190 до 840 ° F; от 360 до 720 К). ^[3] и обычно используется в электронике , сантехнике и работе с листовым металлом. сплавы Чаще всего используются , которые плавятся при температуре от 180 до 190 ° C (от 360 до 370 ° F; от 450 до 460 К). Пайка, выполняемая с использованием сплавов с температурой плавления выше 450 ° C (840 ° F; 720 К), называется «пайкой твердым припоем», «пайкой серебром» или пайкой .

В определенных пропорциях некоторые сплавы являются эвтектическими сплава , то есть температура плавления является минимально возможной для смеси этих компонентов и совпадает с температурой замерзания. Неэвтектические сплавы могут иметь заметно разные температуры солидуса и ликвидуса , поскольку они имеют разные переходы между жидкостью и твердым телом. Неэвтектические смеси часто существуют в виде пасты твердых частиц в расплавленной матрице легкоплавкой фазы при приближении к достаточно высоким температурам. При электромонтажных работах, если соединение нарушается в этом «пастообразном» состоянии до того, как оно полностью затвердеет, это может привести к плохому электрическому соединению; использование эвтектического припоя уменьшает эту проблему. Пастообразное состояние неэвтектического припоя можно использовать в сантехнике, поскольку оно позволяет формовать припой во время охлаждения, например, для обеспечения водонепроницаемого соединения труб, в результате чего получается так называемое «затертое соединение».

Для электромонтажных и электронных работ доступна паяльная проволока различной толщины для ручной пайки (ручная пайка выполняется с помощью паяльника или паяльника ) и с сердечниками, содержащими флюс . Он также доступен в виде пасты комнатной температуры, предварительно отформованной фольги, имеющей форму, соответствующую заготовке, которая может больше подходить для механизированного массового производства , или в виде небольших «лепестков», которые можно обернуть вокруг соединения и расплавить пламенем, где железо невозможно использовать или оно недоступно, как, например, при ремонте в полевых условиях. Сплавы свинца и олова широко использовались в прошлом и доступны до сих пор; они особенно удобны для ручной пайки. Использование бессвинцовых припоев растет из-за нормативных требований, а также преимуществ для здоровья и окружающей среды, связанных с отказом от электронных компонентов на основе свинца. Сегодня они почти исключительно используются в бытовой электронике. ^[4]

Сантехники часто используют стержни припоя, намного толще, чем проволока, используемая в электротехнике, и отдельно наносят флюс; многие флюсы для пайки, подходящие для сантехники, слишком коррозионны (или проводящие), чтобы их можно было использовать в электротехнических или электронных работах. Ювелиры часто используют припой в виде тонких листов, которые разрезают на кусочки.

Этимология

Слово «припой» происходит от среднеанглийского слова «soudur» , через старофранцузское «solduree» и «soulder» , от латинского «solidare », что означает «сделать твердым». ^[5]

Состав

на основе лидов

Оловянно - свинцовые припои (Sn-Pb), также называемые мягкими припоями , коммерчески доступны с концентрацией олова от 5% до 70% по весу. Чем выше концентрация олова, тем выше прочность припоя на растяжение и сдвиг . Свинец смягчает образование оловянных усов , ^[6] хотя точный механизм этого неизвестен. ^[7] Сегодня для решения этой проблемы используется множество методов, включая изменение процесса отжига (нагрев и охлаждение), добавление таких элементов, как медь и никель, а также нанесение конформных покрытий . ^[8] Для электропайки обычно используются сплавы 60/40 Sn-Pb, которые плавятся при 188 °C (370 °F). ^[9] и 63/37 Sn-Pb, используемый в основном в электротехнических и электронных работах. Последняя смесь представляет собой эвтектический сплав этих металлов, который:

имеет самую низкую температуру плавления (183 ° C или 361 ° F) из всех сплавов олова и свинца; и
точка плавления — это действительно точка , а не диапазон.

В Соединенных Штатах с 1974 года свинец запрещен в припоях и флюсах в сантехнике для использования в питьевой воде в соответствии с Законом о безопасной питьевой воде . ^[10] Исторически сложилось так, что использовалась более высокая доля свинца, обычно 50/50. Преимущество этого заключалось в том, что сплав затвердевал медленнее. Поскольку трубы физически соединялись вместе перед пайкой, припой можно было протереть по месту соединения, чтобы обеспечить водонепроницаемость. Хотя свинцовые водопроводные трубы были вытеснены медью, когда значимость отравления свинцом стала полностью осознаваться, свинцовый припой все еще использовался до 1980-х годов, поскольку считалось, что количество свинца, которое могло выщелачиваться в воду из припоя, было незначительным при правильном использовании. паяное соединение. Электрохимическая пара меди и свинца способствует коррозии свинца и олова. Однако олово защищено нерастворимым оксидом. оказалось вредным для здоровья Поскольку даже небольшое количество свинца как сильнодействующего нейротоксина , ^[11] свинец в сантехническом припое был заменен серебром (пищевое применение) или сурьмой , часто добавлялась медь , а доля олова была увеличена (см. Бессвинцовый припой ).

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

Свинцово-оловянные припои легко растворяют позолоту и образуют хрупкие интерметаллиды. ^[13] Припой 60/40 Sn-Pb окисляется на поверхности, образуя сложную 4-слойную структуру: на поверхности оксид олова(IV) , под ним слой оксида олова(II) с мелкодисперсным свинцом, за которым следует слой олова. (II) оксид с мелкодисперсными оловом и свинцом и сам припой под ним. ^[14]

Свинец и в некоторой степени олово, используемые в припое, содержат небольшие, но значительные количества радиоизотопных примесей. Радиоизотопы, претерпевающие альфа-распад, вызывают беспокойство из-за их склонности вызывать мягкие ошибки . полоний-210 Особенно неприятен ; Бета -свинец-210 распадается на висмут-210 , который затем бета-распадает на полоний-210, интенсивный излучатель альфа-частиц . Уран-238 и торий-232 являются другими значительными загрязнителями сплавов свинца. ^[15]^[16]

Бессвинцовый

Директива Европейского Союза об отходах электрического и электронного оборудования и Директива об ограничении использования опасных веществ были приняты в начале 2003 года и вступили в силу 1 июля 2006 года, ограничивая включение свинца в большую часть бытовой электроники, продаваемой в ЕС, и оказывая широкое влияние на бытовая электроника, продаваемая по всему миру. В США производители могут получить налоговые льготы за счет сокращения использования припоя на основе свинца. Бессвинцовые припои при коммерческом использовании могут содержать олово, медь, серебро, висмут , индий , цинк , сурьму и следы других металлов. Большинство бессвинцовых заменителей обычных олово-свинцовых припоев 60/40 и 63/37 имеют температуру плавления на 50–200 °C выше, ^[17] хотя есть также припои с гораздо более низкой температурой плавления. Для бессвинцового припоя обычно требуется около 2% флюса по массе для адекватной смачивающей способности. ^[18]

используется припой, не содержащий свинца Когда при пайке волной , может оказаться желательным слегка модифицированный резервуар для припоя (например, титановые вкладыши или крыльчатки), чтобы снизить затраты на техническое обслуживание из-за повышенного удаления олова припоя с высоким содержанием олова.

Бессвинцовая пайка запрещена в критических приложениях, таких как аэрокосмическая , военная и медицинская промышленность, поскольку соединения могут пострадать от усталостного разрушения металла под нагрузкой (например, из-за теплового расширения и сжатия). Хотя этим свойством обладает и обычный свинцовый припой (как и любой металл), точка, в которой обычно возникает усталостная усталость в свинцовом припое, существенно превышает уровень обычно возникающих напряжений.

Припои олово-серебро-медь (Sn-Ag-Cu, или SAC ) используются двумя третями японских производителей для пайки оплавлением и волновой пайкой и около 75% компаний для ручной пайки. Широкое использование этого популярного семейства бессвинцовых припоев основано на пониженной температуре плавления тройной эвтектики Sn-Ag-Cu (217 ° C; 423 ° F), которая ниже температуры плавления 22/78 Sn-Ag ( вес.%) эвтектики 221 °C (430 °F) и эвтектики Sn-Cu 99,3/0,7 227 °C (441 °F). ^[19] Тройное эвтектическое поведение Sn-Ag-Cu и его применение для сборки электроники было обнаружено (и запатентовано) группой исследователей из лаборатории Эймса , Университета штата Айова и из Национальной лаборатории Сандии в Альбукерке.

Многие недавние исследования были сосредоточены на добавлении четвертого элемента в припой Sn-Ag-Cu, чтобы обеспечить совместимость с пониженной скоростью охлаждения при оплавлении сфер припоя при сборке решеток шариков . Примерами этих четырехэлементных составов являются 18/64/14/4 олово-серебро-медь-цинк (Sn-Ag-Cu-Zn) (интервал плавления 217–220 °С) и 18/64/16/2 олово- серебро-медь- марганец (Sn-Ag-Cu-Mn; интервал плавления 211–215 °С).

Припои на основе олова легко растворяют золото, образуя хрупкие интерметаллические соединения; для сплавов Sn-Pb критическая концентрация золота, вызывающая хрупкость соединения, составляет около 4%. Припои с высоким содержанием индия (обычно индий-свинцовые) больше подходят для пайки более толстых слоев золота, поскольку скорость растворения золота в индии намного медленнее. Припои с высоким содержанием олова также легко растворяют серебро; для пайки серебряной металлизации или поверхностей подходят сплавы с добавлением серебра; Также можно использовать сплавы, не содержащие олова, хотя их смачивающая способность хуже. Если время пайки достаточно велико для образования интерметаллидов, оловянная поверхность соединения, припаянного к золоту, становится очень тусклой. ^[13]

Твердый припой

Твердые припои используются для пайки и плавятся при более высоких температурах. Сплавы меди с цинком или серебром являются наиболее распространенными.

В серебряном или ювелирном деле используются специальные твердые припои, которые выдерживают анализ . Они содержат большое количество паяемого металла, и в этих сплавах не используется свинец. Эти припои различаются по твердости и обозначаются как «эмалирующие», «жесткие», «средние» и «легкие». Эмалирующий припой имеет высокую температуру плавления, близкую к температуре плавления самого материала, что позволяет предотвратить распайку соединения во время обжига в процессе эмалирования. Остальные виды припоя применяются в процессе изготовления изделия в порядке убывания твердости, чтобы предотвратить распайку ранее спаянного шва или стыка при пайке дополнительных участков. По этой же причине при ремонтных работах часто используют легкую припой. Флюс также используется для предотвращения распайки соединений.

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

Сплавы

Различные элементы выполняют в припое разные роли:

Сурьма добавляется для увеличения прочности, не влияя на смачиваемость. Предотвращает появление оловянных вредителей. Следует избегать работы с цинком, кадмием или оцинкованными металлами, поскольку полученное соединение становится хрупким. ^[20]
Висмут значительно снижает температуру плавления и улучшает смачиваемость. При наличии достаточного количества свинца и олова висмут образует кристаллы Sn ₁₆ Pb ₃₂ Bi ₅₂ с температурой плавления всего 95 °C, который диффундирует по границам зерен и может вызвать разрушение соединения при относительно низких температурах. Поэтому мощная деталь, предварительно луженая сплавом свинца, может отпаиваться под нагрузкой при пайке висмутсодержащим припоем. Такие соединения также склонны к растрескиванию. Сплавы с содержанием Bi более 47% расширяются при охлаждении, что можно использовать для компенсации напряжений несоответствия теплового расширения. Задерживает рост оловянных усов . Относительно дорогой, ограниченная доступность.
Медь повышает устойчивость к усталости при термическом цикле и улучшает смачивающие свойства расплавленного припоя. Это также замедляет скорость растворения меди из платы и выводов детали в жидком припое. Медь в припоях образует интерметаллические соединения. Пересыщенный (примерно на 1%) раствор меди в олове можно использовать для ингибирования растворения тонкопленочной металлизации под выступом чипов BGA , например, как Sn ₉₄ Ag ₃ Cu ₃ . ^[19]^[21]
Никель может быть добавлен в припой для образования пересыщенного раствора, препятствующего растворению тонкой пленки 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] Ингибирует растворение меди, еще больше в синергии с висмутом. Присутствие никеля стабилизирует интерметаллиды медь-олово, подавляет рост проэвтектических дендритов β-олова (и, следовательно, увеличивает текучесть вблизи температуры плавления эвтектики медь-олово), способствует блестящей блестящей поверхности после затвердевания, препятствует растрескиванию поверхности при охлаждении; такие сплавы называются «никель-модифицированными» или «никель-стабилизированными». Небольшие количества увеличивают текучесть расплава, наиболее на 0,06%. ^[22] Субоптимальные суммы могут использоваться во избежание проблем с патентами. Снижение текучести увеличивает заполнение отверстий и уменьшает образование мостов и сосулек.
кобальт Вместо никеля используется , чтобы избежать патентных проблем при улучшении текучести. Не стабилизирует интерметаллические наросты 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 дороже серебра), низкая доступность. Легко окисляется, что вызывает проблемы при ремонте и доработке, особенно когда невозможно использовать флюс для удаления оксидов, например, при установке матрицы GaAs. Сплавы индия используются для криогенных применений, а также для пайки золота, поскольку золото растворяется в индии гораздо меньше, чем в олове. Индий также может паять многие неметаллы (например, стекло, слюду, глинозем, магнезию, титан, цирконий , 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 ионов хлорида . ^[23]
Свинец недорогой и имеет подходящие свойства. Хуже смачивает, чем олово. Токсичен, выводится из употребления. Задерживает рост оловянных усов, подавляет оловянных вредителей. Снижает растворимость меди и других металлов в олове.
Серебро обеспечивает механическую прочность, но имеет худшую пластичность, чем свинец. В отсутствие свинца он повышает устойчивость к усталости от термических циклов. Использование припоев SnAg с выводами, покрытыми HASL-SnPb, формирует SnPb ₃₆ Ag ₂ -фаза с температурой плавления 179 °C, которая перемещается к границе раздела плата-припой, затвердевает последней и отделяется от платы. ^[17] Добавление серебра к олову существенно снижает растворимость серебряных покрытий в фазе олова. В эвтектическом сплаве олово-серебро (3,5% Ag) и подобных сплавах (например, SAC305) он имеет тенденцию образовывать пластинки Ag ₃ Sn , который, если он образуется вблизи места высокого напряжения, может служить местом возникновения трещин и вызывать плохие характеристики при ударах и падениях; Чтобы предотвратить такие проблемы, содержание серебра необходимо поддерживать на уровне ниже 3%. ^[21] Высокая подвижность ионов, имеет тенденцию мигрировать и образовывать короткие замыкания при высокой влажности и под смещением постоянного тока. Способствует коррозии ванночек для припоя, увеличивает образование окалин.
Олово – обычный основной конструкционный металл сплава. Имеет хорошую прочность и смачиваемость. Сам по себе он склонен к оловянному вредителю , оловянному плачу и росту оловянных усов . Легко растворяет серебро, золото и в меньшей, но все же значительной степени многие другие металлы, например медь; это особенно важно для сплавов с высоким содержанием олова, имеющих более высокие температуры плавления и температуры оплавления.
Цинк снижает температуру плавления и имеет низкую стоимость. Однако он сильно подвержен коррозии и окислению на воздухе, поэтому цинксодержащие сплавы непригодны для некоторых целей, например, для пайки волновой пайкой, а цинксодержащие паяльные пасты имеют меньший срок хранения, чем безцинковые. Может образовывать хрупкие интерметаллические слои Cu-Zn при контакте с медью. Легко окисляется, что ухудшает смачивание, требует подходящего флюса.
Германий в бессвинцовых припоях на основе олова влияет на образование оксидов; при содержании ниже 0,002% увеличивается образование оксидов. Оптимальная концентрация для подавления окисления составляет 0,005%. ^[24] Используется, например, в сплаве Sn100C. Запатентовано.
Редкоземельные элементы при добавлении в небольших количествах улучшают матричную структуру в сплавах олово-медь за счет сегрегации примесей на границах зерен. Однако чрезмерное добавление приводит к образованию усов олова; это также приводит к образованию ложных редкоземельных фаз, которые легко окисляются и ухудшают свойства припоя. ^[19]
Фосфор используется в качестве антиоксиданта для предотвращения образования окалины. Снижает текучесть сплавов олова и меди.

Примеси

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

Алюминий – плохо растворяется, вызывает вялость припоя и матовый шероховатый вид из-за образования оксидов. Добавление сурьмы к припоям образует интерметаллиды Al-Sb, которые выделяются в окалину . Способствует ломкости.
Сурьма – добавлена намеренно, до 0,3% улучшает смачивание, большие количества медленно ухудшают смачивание. Увеличивает температуру плавления.
Мышьяк – образует тонкие интерметаллиды, отрицательно влияющие на механические свойства, вызывает высыхание латунных поверхностей.
Кадмий – вызывает вялость припоя, образует оксиды и тускнеет.
Медь – наиболее распространенный загрязнитель, образует игольчатые интерметаллиды, вызывает медлительность припоев, песчанистость сплавов, снижение смачивания.
Золото – легко растворяется, образует хрупкие интерметаллиды, примеси выше 0,5% вызывают вялость и уменьшают смачивание. Снижает температуру плавления припоев на основе олова. Сплавы с более высоким содержанием олова могут поглощать больше золота без охрупчивания. ^[26]
Железо – 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 Директивы по ограничению использования опасных веществ при концентрации выше 0,1%.
Никель – вызывает песчанистость, очень плохо растворяется в Sn-Pb.
Фосфор олова и свинца – образует фосфиды , вызывает песчанистость и вымывание, присутствует при химическом никелировании.
Серебро – часто добавляется намеренно, в больших количествах образует интерметаллиды, которые вызывают песчанистость и образование пупырышек на поверхности припоя, потенциальное охрупчивание.
Сера свинца и олова – образует сульфиды , вызывает обезвоживание.
Цинк – в расплаве образует чрезмерную окалину, в затвердевших соединениях быстро окисляется на поверхности; оксид цинка нерастворим во флюсах, что ухудшает ремонтопригодность; при пайке латуни могут потребоваться барьерные слои из меди и никеля, чтобы предотвратить миграцию цинка на поверхность; потенциал для охрупчивания

Отделка платы и накопление примесей в ванне для пайки волной:

HASL, без свинца (уровень горячего воздуха): обычно практически чистое олово. Не загрязняет ванны с высоким содержанием олова.
HASL, свинец: некоторое количество свинца растворяется в ванне.
ENIG (электрическое никель-иммерсионное золото): обычно 100–200 микродюймов никеля и 3–5 микродюймов золота сверху. Некоторое количество золота растворяется в ванне, но превышение пределов накопления происходит редко.
Иммерсионное серебро: обычно 10–15 микродюймов серебра. Некоторые растворяются в ванне, превышение пределов накопления встречается редко.
Погружная олово: не загрязняет ванны с высоким содержанием олова.
OSP (органический консервант для пайки): обычно соединения класса имидазола, образующие тонкий слой на поверхности меди. Медь легко растворяется в ваннах с высоким содержанием олова. ^[27]

Поток

Флюс — это восстановитель, предназначенный для восстановления (возвращения окисленных металлов в металлическое состояние) оксидов металлов в точках контакта с целью 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 сантехники, и канифольный флюс (иногда называемый «пассивным флюсом»), используемый в электронике. Канифольный флюс обладает различными «активностями», что примерно соответствует скорости и эффективности органических кислотных компонентов канифоли при растворении поверхностных оксидов металлов и, следовательно, коррозионной активности остатков флюса.

Из-за опасений по поводу загрязнения атмосферы и опасных отходов утилизации электронная промышленность постепенно переходит от канифольного флюса к водорастворимому флюсу, который можно удалить с помощью деионизированной воды и моющего средства вместо углеводородных растворителей . Водорастворимые флюсы, как правило, более проводящие, чем традиционно используемые электрические/электронные флюсы, и поэтому имеют больший потенциал для электрического взаимодействия с цепью; вообще важно после пайки удалить их следы. Некоторые следы канифольного флюса также следует удалить по той же причине.

В отличие от использования традиционных стержней или спиральной проволоки из цельнометаллического припоя и ручного нанесения флюса на соединяемые детали, при ручной пайке с середины 20-го века использовался припой с флюсовым сердечником. Он изготавливается в виде намотанной проволоки припоя с одним или несколькими непрерывными телами неорганической кислоты или канифольного флюса, заделанными внутри него по длине. Когда припой плавится на соединении, он освобождает флюс и высвобождает его также на нем.

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 ходе так называемого связанного роста . Неэвтектические композиции при охлаждении сначала начинают выделять неэвтектическую фазу; дендриты, если это металл, крупные кристаллы, если это интерметаллическое соединение. Такая смесь твердых частиц в расплавленной эвтектике называется кашеобразным состоянием. Даже относительно небольшая доля твердых частиц в жидкости может резко снизить ее текучесть. ^[28]

Температура полного затвердевания – это солидус сплава, температура, при которой все компоненты плавятся, – это ликвидус.

Мягкое состояние желательно там, где определенная степень пластичности полезна для создания соединения, позволяющего заполнить большие зазоры или протереть соединение (например, при пайке труб). При ручной пайке электроники это может быть вредно, поскольку соединение может показаться затвердевшим, хотя на самом деле это еще не так. Преждевременное обращение с таким соединением нарушает его внутреннюю структуру и приводит к нарушению механической целостности.

Интерметаллиды

множество различных интерметаллидов . В процессе затвердевания припоев и в ходе их реакций с паяемыми поверхностями образуется ^[25] Интерметаллиды образуют отдельные фазы, обычно в виде включений в матрице пластичного твердого раствора, но также могут образовывать саму матрицу с металлическими включениями или образовывать кристаллическое вещество с различными интерметаллидами. Интерметаллиды часто тверды и хрупки. Мелко распределенные интерметаллиды в пластичной матрице дают твердый сплав, тогда как грубая структура дает более мягкий сплав. Между металлом и припоем часто образуется ряд интерметаллидов с увеличением доли металла; например, формирование структуры Cu-Cu ₃ Sn-Cu ₆ Sn ₅ -Sn . Между припоем и паяемым материалом могут образовываться слои интерметаллидов. Эти слои могут привести к снижению механической надежности и хрупкости, увеличению электрического сопротивления или электромиграции и образованию пустот. Слой интерметаллидов золото-олово ответственен за плохую механическую надежность паяных оловом позолоченных поверхностей, где золото не полностью растворилось в припое.

В формировании паяного соединения играют роль два процесса: взаимодействие подложки и расплавленного припоя 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. Реакции в твердом состоянии более сложны: образование интерметаллидов можно предотвратить, изменив состав основного металла или припоя или используя подходящий барьерный слой для предотвращения диффузии металлов. ^[29]

Некоторые примеры взаимодействий включают в себя:

Золото и палладий легко растворяются в припоях. Медь и никель имеют тенденцию образовывать интерметаллические слои при обычной пайке профилей. Индий также образует интерметаллиды.
Интерметаллиды индия и золота хрупкие и занимают примерно в 4 раза больший объем, чем исходное золото. Соединительные провода особенно чувствительны к воздействию индия. Такой интерметаллидный рост 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, поскольку защищает его от окисления; слой должен быть достаточно тонким, чтобы быстро и полностью раствориться, чтобы голый никель подвергался воздействию припоя. ^[16]
Слои свинцово-оловянного припоя на медных выводах могут образовывать интерметаллические слои медь-олово; затем припой локально обедняется оловом и образует слой, богатый свинцом. Интерметаллиды Sn-Cu могут подвергаться окислению, что приводит к ухудшению паяемости. ^[31]
Cu ₆ Sn ₅ – распространен на границе раздела припой-медь, образуется преимущественно при наличии избытка олова; в присутствии никеля, Соединение (Cu,Ni) ₆ Sn ₅ может образовываться ^[19]^[6]
Cu ₃ Sn – обычно встречается на границе раздела припой-медь, образуется преимущественно при наличии избытка меди, более термически стабилен, чем Cu ₆ Sn ₅ , часто присутствует при высокотемпературной пайке. ^[19]^[6]
Ni ₃ Sn ₄ – общий на границе припой-никель. ^[19]^[6]
FeSn ₂ – очень медленное образование
Ag ₃ Sn – при более высокой концентрации серебра (более 3%) в олове образует пластинки, которые могут служить очагами зарождения трещин.
AuSn ₄ – β-фаза – хрупкая, образуется при избытке олова. Вредно для свойств припоев на основе олова к позолоченным слоям.
AuIn ₂ – образуется на границе золота и индий-свинцового припоя, действует как барьер против дальнейшего растворения золота.

Матрица интерметаллических припоев
	Полагать	Вести	Индий
Медь	Cu ₄ Sn , Cu ₆ Sn ₅ , Cu ₃ Sn , Cu ₃ Sn ₈^[19]		Cu ₃ В , Cu ₉ в ₄
Никель	Ни3Сн Sn, Ni3Sn2 Sn₂, Ni₃Sn_Ni3Sn4 НиСн ₃		Ни ₃ В , Так Ни ₂ в ₃ , Ni₃In_Ni3In7
Железо	ФеСн , ФеСн ₂
Индий	Через ₃ сн , ИнСн ₄	В ₃ Пб	–
Сурьма	СБСН
Висмут		БиПб ₃
Серебро	Аг ₆ Sn , Аг ₃ Sn		Аг ₃ В , АгИн ₂
Золото	Ау ₅ Сн , АуСн АуСн ₂ , АуСн ₄	Ау ₂ Пб , AuPb_АуПб2	АуИн , АуИн ₂
Палладий	ПД ₃ Сн , ПД ₂ Сн , Pd3Sn2 Sn₂, ПдСн , ПДСн ₂ , PdSn_PdSn4		ПД ₃ В , ПД ₂ В , Пдин , ПД ₂ в ₃
Платина	Пт ₃ Сн , Пт ₂ Сн , ПтСн , Пт2Сн3 Sn₃, ПтСн ₂ , ПтСн ₄	Пт3Пб Pb, ПтПб ПтПб ₄	Часть ₂ в ₃ , ПТВн ₂ , Часть ₃ из ₇

Преформа

Преформа — это заранее приготовленная форма припоя, специально разработанная для той области применения, в которой она будет использоваться. Для изготовления заготовки припоя используется множество методов, наиболее распространенным из которых является штамповка. Заготовка припоя может содержать флюс для припоя, необходимый для процесса пайки. Это может быть внутренний флюс внутри заготовки припоя или внешний, с покрытием заготовки припоя.

Подобные вещества

Стеклянный припой используется для соединения стекол с другими стеклами, керамикой , металлами , полупроводниками , слюдой и другими материалами в процессе, называемом склеиванием стеклянных фритт . Стеклянный припой должен растекаться и смачивать паяемые поверхности при температуре, значительно ниже температуры, при которой происходит деформация или разрушение соединяемых материалов или близлежащих структур (например, слоев металлизации на чипах или керамических подложках). Обычная температура достижения текучести и смачивания составляет от 450 до 550 °C (от 840 до 1020 °F).

См. также

Ссылки

^ «припой» . Lexico Британский словарь английского языка . Издательство Оксфордского университета . Архивировано из оригинала 10 января 2022 года.
^ «припой». Оксфордский американский словарь . Издательство Оксфордского университета . 1980.
^ Фрэнк Оберг, Франклин Д. Джонс, Холбрук Л. Хортон, Генри Х. Риффель, ред. (1988) Справочник по машинному оборудованию, 23-е издание Industrial Press Inc., стр. 1203. ISBN 0-8311-1200-X
^ Огунсейтан, Оладеле А. (2007). «Польза от использования бессвинцовых припоев для общественного здравоохранения и окружающей среды». Журнал Общества минералов, металлов и материалов . 59 (7): 12–17. Бибкод : 2007JOM....59g..12O . дои : 10.1007/s11837-007-0082-8 . S2CID 111017033 .
^ Харпер, Дуглас. «припой» . Интернет-словарь этимологии .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Нань Цзян (2019). «Вопросы надежности бессвинцовых паяных соединений в электронных устройствах» . Наука и технология перспективных материалов . 20 (1): 876–901. Бибкод : 2019STAdM..20..876J . дои : 10.1080/14686996.2019.1640072 . ПМЦ 6735330 . ПМИД 31528239 .
^ «Основная информация об оловянных усах» . nepp.nasa.gov . Проверено 27 марта 2018 г.
^ Крейг Хиллман; Грегг Киттлсен и Рэнди Шуллер. «Новый (лучший) подход к снижению воздействия оловянных усов» (PDF) . Решения ДФР . Проверено 23 октября 2013 г.
^ Свойства припоев . Farnell.com.
^ «Кодекс США: Раздел 42. Общественное здравоохранение и благосостояние» (PDF) . govinfo.gov. п. 990.
^ Х. Л. Нидлман; и др. (1990). «Долгосрочные последствия воздействия низких доз свинца в детстве. Отчет о 11-летнем наблюдении» . Медицинский журнал Новой Англии . 322 (2): 83–8. дои : 10.1056/NEJM199001113220203 . ПМИД 2294437 .
^ Джозеф Р. Дэвис (2001). Легирование: понимание основ . АСМ Интернешнл. п. 538. ИСБН 978-0-87170-744-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Говард Х. Манко (2001). Припои и пайка: материалы, проектирование, производство и анализ надежного соединения . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 164. ИСБН 978-0-07-134417-3 .
^ AC Тан (1989). Отделка свинцом полупроводниковых приборов: пайка . Всемирная научная. п. 45. ИСБН 978-9971-5-0679-7 .
^ Мадхав Датта; Тэцуя Осака; Иоахим Вальтер Шульце (2005). Микроэлектронная упаковка . ЦРК Пресс. п. 196. ИСБН 978-0-415-31190-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Карл Дж. Путтлиц; Кэтлин А. Сталтер (2004). Справочник по технологии бессвинцовой пайки микроэлектронных сборок . ЦРК Пресс. п. 541. ИСБН 978-0-8247-4870-8 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Санька Ганесан; Майкл Пехт (2006). Бессвинцовая электроника . Уайли. стр. 110. ИСБН 978-0-471-78617-7 .
^ Питер Биокка (19 апреля 2006 г.). «Ручная пайка без свинца – конец кошмарам» (PDF) . Кестер . Проверено 20 октября 2019 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Мэн Чжао, Лян Чжан, Чжи-Цюань Лю, Мин-Юэ Сюн и Лэй Сунь (2019). «Структура и свойства бессвинцовых припоев Sn-Cu в упаковке электроники» . Наука и технология перспективных материалов . 20 (1): 421–444. Бибкод : 2019STAdM..20..421Z . дои : 10.1080/14686996.2019.1591168 . ПМК 6711112 . ПМИД 31489052 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Каушиш (2008). Производственные процессы . PHI Learning Pvt. ООО с. 378. ИСБН 978-81-203-3352-9 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кинг-Нин Ту (2007) Технология паяных соединений – материалы, свойства и надежность . Спрингер. ISBN 978-0-387-38892-2
^ «Текучесть никель-модифицированного эвтектического бессвинцового припоя Sn-Cu» (PDF) . Проверено 7 сентября 2019 г.
^ И.Р. Уокер (2011). Надежность в научных исследованиях: повышение надежности измерений, расчетов, оборудования и программного обеспечения . Издательство Кембриджского университета. стр. 160–. ISBN 978-0-521-85770-3 .
^ «Балвер Зинн Дезокси RSN» (PDF) . balverzinn.com . Архивировано из оригинала (PDF) 7 июля 2011 года . Проверено 27 марта 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Майкл Пехт (1993). Паяльные процессы и оборудование . Wiley-IEEE. стр. 18. ISBN 978-0-471-59167-2 .
^ «Выбор припоя для фотонной упаковки» . 27 февраля 2013 г. Проверено 20 августа 2016 г.
^ Техническое руководство SN100C® . floridacirtech.com
^ Кейт Свитман и Тетсуро Нисимура (2006). «Текучесть никель-модифицированного эвтектического бессвинцового припоя Sn-Cu» (PDF) . Нихон Супериор Ко., Лтд .
^ Д. Р. Фрир; Стив Берчетт; Гарольд С. Морган; Джон Х. Лау (1994). Механика межсоединений припоев . Спрингер. п. 51. ИСБН 978-0-442-01505-3 .
^ Индиевый припой, инкапсулирующий золотую соединительную проволоку, приводит к хрупким соединениям золота и индия и ненадежному состоянию, которое приводит к разрыву межсоединения проводов . GSFC NASA Advisory]. (PDF). Проверено 9 марта 2019 г.
^ Дженни С. Хван (1996). Современная технология пайки для конкурентоспособного производства электроники . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 397. ИСБН 978-0-07-031749-9 .

Внешние ссылки

«Припой» . Британская энциклопедия . Том. 25 (11-е изд.). 1911. с. 374.
Фазовые диаграммы различных типов припоев

[british-pron-1] «припой» . Lexico Британский словарь английского языка . Издательство Оксфордского университета . Архивировано из оригинала 10 января 2022 года.

[2] «припой». Оксфордский американский словарь . Издательство Оксфордского университета . 1980.

[3] Фрэнк Оберг, Франклин Д. Джонс, Холбрук Л. Хортон, Генри Х. Риффель, ред. (1988) Справочник по машинному оборудованию, 23-е издание Industrial Press Inc., стр. 1203. ISBN 0-8311-1200-X

[lead-free-benefits-4] Огунсейтан, Оладеле А. (2007). «Польза от использования бессвинцовых припоев для общественного здравоохранения и окружающей среды». Журнал Общества минералов, металлов и материалов . 59 (7): 12–17. Бибкод : 2007JOM....59g..12O . дои : 10.1007/s11837-007-0082-8 . S2CID 111017033 .

[5] Харпер, Дуглас. «припой» . Интернет-словарь этимологии .

[stam2-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Нань Цзян (2019). «Вопросы надежности бессвинцовых паяных соединений в электронных устройствах» . Наука и технология перспективных материалов . 20 (1): 876–901. Бибкод : 2019STAdM..20..876J . дои : 10.1080/14686996.2019.1640072 . ПМЦ 6735330 . ПМИД 31528239 .

[7] «Основная информация об оловянных усах» . nepp.nasa.gov . Проверено 27 марта 2018 г.

[8] Крейг Хиллман; Грегг Киттлсен и Рэнди Шуллер. «Новый (лучший) подход к снижению воздействия оловянных усов» (PDF) . Решения ДФР . Проверено 23 октября 2013 г.

[9] Свойства припоев . Farnell.com.

[10] «Кодекс США: Раздел 42. Общественное здравоохранение и благосостояние» (PDF) . govinfo.gov. п. 990.

[11] Х. Л. Нидлман; и др. (1990). «Долгосрочные последствия воздействия низких доз свинца в детстве. Отчет о 11-летнем наблюдении» . Медицинский журнал Новой Англии . 322 (2): 83–8. дои : 10.1056/NEJM199001113220203 . ПМИД 2294437 .

[12] Джозеф Р. Дэвис (2001). Легирование: понимание основ . АСМ Интернешнл. п. 538. ИСБН 978-0-87170-744-4 .

[solsolmat-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с Говард Х. Манко (2001). Припои и пайка: материалы, проектирование, производство и анализ надежного соединения . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 164. ИСБН 978-0-07-134417-3 .

[14] AC Тан (1989). Отделка свинцом полупроводниковых приборов: пайка . Всемирная научная. п. 45. ИСБН 978-9971-5-0679-7 .

[micrpack-15] Мадхав Датта; Тэцуя Осака; Иоахим Вальтер Шульце (2005). Микроэлектронная упаковка . ЦРК Пресс. п. 196. ИСБН 978-0-415-31190-8 .

[handblfs-16] Перейти обратно: ^а ^б Карл Дж. Путтлиц; Кэтлин А. Сталтер (2004). Справочник по технологии бессвинцовой пайки микроэлектронных сборок . ЦРК Пресс. п. 541. ИСБН 978-0-8247-4870-8 .

[leadfreeel-17] Перейти обратно: ^а ^б Санька Ганесан; Майкл Пехт (2006). Бессвинцовая электроника . Уайли. стр. 110. ИСБН 978-0-471-78617-7 .

[18] Питер Биокка (19 апреля 2006 г.). «Ручная пайка без свинца – конец кошмарам» (PDF) . Кестер . Проверено 20 октября 2019 г.

[stam-19] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Мэн Чжао, Лян Чжан, Чжи-Цюань Лю, Мин-Юэ Сюн и Лэй Сунь (2019). «Структура и свойства бессвинцовых припоев Sn-Cu в упаковке электроники» . Наука и технология перспективных материалов . 20 (1): 421–444. Бибкод : 2019STAdM..20..421Z . дои : 10.1080/14686996.2019.1591168 . ПМК 6711112 . ПМИД 31489052 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[mfgproc-20] Каушиш (2008). Производственные процессы . PHI Learning Pvt. ООО с. 378. ИСБН 978-81-203-3352-9 .

[soljoint-21] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кинг-Нин Ту (2007) Технология паяных соединений – материалы, свойства и надежность . Спрингер. ISBN 978-0-387-38892-2

[22] «Текучесть никель-модифицированного эвтектического бессвинцового припоя Sn-Cu» (PDF) . Проверено 7 сентября 2019 г.

[23] И.Р. Уокер (2011). Надежность в научных исследованиях: повышение надежности измерений, расчетов, оборудования и программного обеспечения . Издательство Кембриджского университета. стр. 160–. ISBN 978-0-521-85770-3 .

[24] «Балвер Зинн Дезокси RSN» (PDF) . balverzinn.com . Архивировано из оригинала (PDF) 7 июля 2011 года . Проверено 27 марта 2018 г.

[soldproc-25] Перейти обратно: ^а ^б Майкл Пехт (1993). Паяльные процессы и оборудование . Wiley-IEEE. стр. 18. ISBN 978-0-471-59167-2 .

[soldphot-26] «Выбор припоя для фотонной упаковки» . 27 февраля 2013 г. Проверено 20 августа 2016 г.

[27] Техническое руководство SN100C® . floridacirtech.com

[nimodcusn-28] Кейт Свитман и Тетсуро Нисимура (2006). «Текучесть никель-модифицированного эвтектического бессвинцового припоя Sn-Cu» (PDF) . Нихон Супериор Ко., Лтд .

[29] Д. Р. Фрир; Стив Берчетт; Гарольд С. Морган; Джон Х. Лау (1994). Механика межсоединений припоев . Спрингер. п. 51. ИСБН 978-0-442-01505-3 .

[30] Индиевый припой, инкапсулирующий золотую соединительную проволоку, приводит к хрупким соединениям золота и индия и ненадежному состоянию, которое приводит к разрыву межсоединения проводов . GSFC NASA Advisory]. (PDF). Проверено 9 марта 2019 г.

[31] Дженни С. Хван (1996). Современная технология пайки для конкурентоспособного производства электроники . МакГроу-Хилл Профессионал. п. 397. ИСБН 978-0-07-031749-9 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]