Достаточно часто, в разговорах со специалистами по ремонту персональных компьютеров, можно услышать: «пропаял контакты микросхем, разъемов неисправной платы и она заработала, неисправность исчезла». Обычно такое «волшебство» пропайки объясняют плохим качеством паяного соединения, но действительно ли это так? Есть и более реальное объяснение.
Современные технологии изготовления различного вида печатных плат и безсвинцовые технологии пайки не только экологичны и эффективны, но они (в определенных условиях) порождают ряд явлений, приводящих к отказам. «Усы» олова — это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате, являются причиной возникновения отказов электронных схем из-за замыканий между контактами и проводниками. Общеизвестен факт, что отрицательное воздействие внешней среды непосредственно сказывается на показателях надежности печатных узлов и сборок выполненных по современным технологиям.
До недавнего времени при пайке использовали свинец и сплавы на его основе, которые имеют низкую температуру плавления, но к сожалению, свинец является токсичным металлом. Из экологических соображений содержащие свинец припои активно вытесняются с рынка постановлениями исполнительной власти ЕС, которые оказывают сильное давление на производителей. Широко применяющиеся оловянно-свинцовые припои, состоящие из свинца и олова в приблизительной пропорции 40% свинца и 60% олова, обладают хорошей эвтектикой, но несмотря на это мы должны иметь в виду, что, нравится нам это или нет, мы уже сталкиваемся с необходимостью паять безсвинцовыми сплавами. Евросоюз давно принял директиву 2002/95/ЕС RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ). Согласно этому документу, с 1 июля 2006 года начали действовать ограничения на использование в промышленной электронной продукции и в новой электронной технике некоторых химических материалов, опасных для здоровья и окружающей среды. Среди прочих, действие директивы распространяется и на соединения свинца. Таким образом, запрещается использование свинцовосодержащих припоев (рис. 1).
Рис. 1. Логотип означающий соответствие технологии пайки требованиям исполнительной власти EC.
При работе с безсвинцовыми припоями возникает ряд проблем, которые связаны с физическими их свойствами. Поэтому паяльные станции должны быть специально адаптированы для работы с новыми припоями. Рассмотрим основные проблемы, которые могут возникнуть при пайке безсвинцовыми припоями:
- более высокая температура плавления пайки может повредить электронные компоненты, содержащие пластмассу, могут получить термический «шок» и сами компоненты;
- может возникнуть деформация печатных плат;
- будет наблюдаться слабая увлажненность и растекание в связи с возрастающим эффектом окисления поверхности;
- появится необходимость использования более активных (и коррозийных) флюсов;
- возможно появление перемычек и замыканий;
- вследствие более высокой температуры пайки будет наблюдаться сильное разбрызгивание флюса;
- увеличится время создания качественной пайки (контакта);
- вид паяного контакта будет более тусклым;
- снизится ресурс нормальной работы паяльных головок;
- потребуется изменить стиль работы монтажников.
Итак, возможно появление перемычек и замыканий, сильное разбрызгивание флюса. Перемычки и замыкания возникают в виде «усов» олова (это микроскопические проростки металла из мест пайки на печатной плате). Эти таинственные проростки были виноваты в серьезнейших отказах военной и космической электроники. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США изъяло целый ряд продуктов лидирующих изготовителей по причине тех же самых «усов».
Исторически рост «усов» был отмечен еще в 1940-х годах, но это явление наблюдалось в случаях с кадмием и цинком (это часто приводило к короткому замыканию настроечных кадмиевых конденсаторов, применяемых в авиационных радиостанциях). Десятью годами позже было установлено, что в реле с пайкой на основе олова (в телефонных коммутаторах фирмы AT&T) «усы» также являются причиной коротких замыканий.
Сначала проблему образования «усов» решили очень просто – стали вводить свинец в припой, как это и делалось начиная с 1950-х годов, и затем проблема образования «усов» долго не поднималась. Но теперь свинец ушел на законных основаниях, и «усы» вновь стали появляться, создавая потенциальные проблемы для всех нас (рис. 2).
Рис. 2.
В 2003 году согласно «Директиве о снижении уровня содержания опасных веществ», в странах ЕС было запрещено использовать свинец в составе припоя, начиная с 2006 года, что давало изготовителям три года на отказ от применения свинца. Логика такого решения тогда казалась очень разумной. Исключение свинца из состава бензина, где он использовался для предупреждения нарушений циклов работы двигателя внутреннего сгорания, принесло явные преимущества с точки зрения экологии и здравоохранения: в атмосферу не стало выбрасываться вредное химическое вещество, которое могло влиять на интеллектуальные способности человека. Удаление свинца из припоя, а сплав из 37% свинца и 63% олова применялся для соединения металлических деталей повсюду — от паяльных работ до схемных плат, — было следующим очевидным шагом, препятствующим его вымыванию в грунтовые воды из объектов на мусорных свалках.
Но олово без укрощающего его свинца ведет себя непредсказуемо. Оловянное покрытие без добавок, как и кадмий и цинк, спонтанно образует кристаллы металла диаметром около 1-5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые проталкиваются от основания вверх. Если они растут достаточно близко для того, чтобы прикоснуться к другому токопроводящему объекту, то вызовут короткое замыкание, которое может повредить аппаратуру.
Механизм образования «усов» теперь стал достаточно понятным — это происходит за счет напряжения сжатия, обусловленного, скажем, диффузией меди в олово. При встраивании в слой олова медь пробивается через барьерный слой оксида олова. Критики ссылаются на сообщения о том, что компоненты припоя, такие как олово, олово-цинк, олово-серебро-медь, просто не способны заменить свинец в припое по надежности, укрывистости (смачиваемости контактных площадок) и стоимости.
Помимо образования «усов», не содержащий свинца припой к тому же более хрупок. Припои-заменители также могут быть нанесены слишком тонким слоем, при недостаточной или при слишком высокой температуре (заменители свинца имеют более высокие точки плавления), что создает механические напряжения в слоистой структуре печатной платы.
Воздействуют ли «усы» олова на изделия, применяемые в настоящее время? Могло бы это стать причиной выхода из строя вашего компьютера?
Применение матового финишного покрытия, устранение загрязнителей из припоя и с поверхностей, снижение механических напряжений в паяемых компонентах — все это ослабляет рост «усов». Однако ряд специалистов в области пайки и печатных плат, заявили, что «никакое определенное решение этой проблемы» не найдено до сих пор.
Что способствует появлению «усов»? Оказывается, что они могут расти при температуре и влажности окружающей среды или в вакууме, а также при постоянных или изменяющихся температурах (хотя варьирование температуры может способствовать их росту). Кончики «усов» соразмерны атому. За достаточное время они протолкнутся через любое покрытие. Они являются преобладающей причиной (лишь недавно обнаруженной) многих отказов аппаратуры в прошлом. Один «усик» может пропускать около 30 мА — что более чем достаточно для повреждения цифровых схем.
И только компания Apple открыто заявила, что с 2004 года они без проблем используют припои, не содержащие свинец. Видимо, производственники не имеют еще достаточной базы или, может быть, отказ техники из-за наличия «усов» не регистрируется в качестве проблемы. Многие потребители, вероятно, отнесут дефектные устройства на счет своего собственного невезения, когда в реальности причиной могут быть микроскопические «усики» внутри их машин.
В общем и целом, было ли разумно отказываться от свинца? Ряд крупных компаний после своих дорогостоящих возвратов добились постоянного освобождения от необходимости соблюдать директиву RoHS для изделий, идущих на экспорт в страны ЕС.
Вероятно, скоро появятся надежные технологии, свободные от свинца, хотя специалисты в этом сомневаются. Есть мнения, что такие компании, как IBM и National Instruments, уже имеют технологии, соответствующие требованиям RoHS даже для освобожденных от них изделий (но эта дискуссия специалистов выглядит так, как будто бы она остается открытой). До сих пор самым последним надежным источником информации по этой проблеме являются изготовители.
Как же избежать дефектов при ручной пайке компонентов, выполненных по бессвинцовой технологии? Крупные фирмы-производители интегральных микросхем - Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и многие другие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии. Так же поступят и производители дискретных полупроводников и пассивных компонентов (ON Semiconductors, Vishay, Samsung Electr-Mechanic). Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос времени для всех производителей электроники. В обозримом будущем данная проблема рано или поздно коснется и всех остальных.
Существует мнение о том, что компоненты, не содержащие свинца, требуют особых технологий ручной пайки. Такая точка зрения распространена и среди разработчиков, производителей электронной техники и специалистов, занимающихся ремонтом. Все ведущие производители единодушны в том, что большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями ручной пайки оловянно-свинцовыми припоями. Совместимость с требованиями RoHS, так же как и знак «Pb-free» не означают, что элемент необходимо паять обязательно бессвинцовым припоем. Но в процессе пайки необходимо предотвратить термодиструкцию электронных компонентов (эта неприятность может возникнуть потому, что большинство из «Pb-free» припоев имеют повышенную температуру плавления, которая несовместима с максимальной температурой пайки выбранных компонентов).
Специалисты по технологиям пайки и паяльному оборудованию утверждают, что если выполнять ряд рекомендаций для ручной пайки, то качество пайки и компоненты электронных схем не пострадают. Для ручной пайке, необходимо выбирать паяльные станции, обладающие достаточным запасом мощности, термостабильностью и возможностью поддержания постоянной температуры при работе на более высоких уровнях, необходимых для бессвинцовых материалов. Так как температура плавления бессвинцового припоя выше, чем у свинцовосодержащего, температура жала должна быть примерно 343°C (свинцовый припой требовал 315°C). В таком режиме долговечность традиционных паяльных жал резко снижается и поэтому, в процессе пайки, необходимо использовать насадки, разработанные специально под «Pb-free» пайку.
Современные паяльные станции обеспечивают приведенные выше требования, но при работе с бессвинцовыми припоями, для соблюдения необходимых температурных профилей некоторых компонентов, имеет смысл быстрее убирать жало пальника с места пайки. Смачиваемось у бессвинцовых материалов хуже, чем у свинцовосодержащих. Кроме того, у них хуже окисляемость во время пайки, наблюдается образование кристаллических нитей и пр.. Известно, что чем меньше окислов, тем легче идет процесс пайки, поэтому часто используют пайку в среде азота или используют специальные флюсы. Азот, будучи инертным газом, предохраняет от окисляемости нагреваемые при пайке металлические поверхности. В этом случае требования к флюсу не категоричны, смачиваемость повышается, с припоями легче работать, качество соединений повышается.
При ручной пайке в условиях несерийного производства задачу снятия окислов и обеспечения растекаемости припоя, в не меньшей степени выполняет флюс. Это серьезная альтернатива пайке в азотной среде. В процессе пайки необходимо следить за состоянием жала паяльной станции во избежание его окисления. Если применяется «Pb-free» припой, следует более тщательно очищать его и, постоянно держать его полностью покрытым припоем.
При работе с «Pb-free» компонентами, их монтаже-демонтаже, на плате смешанного типа необходимо тщательно очищать посадочные места компонентов, во избежание смешивания припоев «Pb-free» и традиционных, так как несоблюдение этой рекомендации, в случае смешивания припоев образуется «холодная» пайка. Становится более актуальным использование оловоотсосов, оплетки для удаления припоев и пр. Так же, следуя вышеприведенному пункту, следует использовать разные жала для пайки «Pb-free» и свинцовосодержащими припоями.
С микросхемами в корпусах BGA работа идет сложнее, но ситуацию «спасли» изделия компании «ERSA» выпустившей модернизированные инфракрасные паяльные центры IR550plus. При работе с припоями «Pb-free» и микросхемами BGA, достоинства паяльных центров IR550plus были неоспоримы. Они обладают непревзойденной равномерностью локального инфракрасного нагрева, что обеспечивает точную и безопасную (для чувствительных компонентов) отработку термопрофиля. Паяльные центры обеспечивают возможность визуального мониторинга процесса пайки (дополнительная опция – видеосистема PL550A). Система IR550plus универсальна и самодостаточна, она обеспечивала надежную и безопасную работу со сложнопрофильными компонентами.
Версия сайта для слабовидящих