Ключевой недостаток использования свинцовых составов
Свинцовые припои и паяльные пасты обрели популярность благодаря целому ряду положительных качеств. Это и невысокая температура плавления, и хорошая смачиваемость выводов и контактных площадок, и высокая прочность паяного соединения, и даже невысокая цена, за счет которой удешевляется производимая продукция. Однако, несмотря на все это, есть у них один важный недостаток: свинец относится к тяжелым металлам и считается токсичным. Проявляется это в двух моментах:
- Через образующиеся при плавлении пары свинец может накапливаться в организмах сотрудников, ответственных за монтаж электронных компонентов, вызывая отравление и другие болезни.
- При утилизации бракованных или отслуживших свой срок электронных изделий свинец загрязняет окружающую среду.
И если первый недостаток решается установкой дымоуловителей на рабочих местах сборщиков и использованием ими средств защиты дыхательных путей, то со второй проблемой бороться оказалось гораздо сложнее. Из-за этого в 2003 году Евросоюзом была принята RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive, директива, ограничивающая содержание вредных веществ), а затем, в 2007 – регламент REACH (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals, «Регистрация, оценка, авторизация и ограничение производства и использования химических веществ»). Оба документа направлены на уменьшение использования токсичных компонентов в промышленности, в частности, свинца в промышленном выпуске электронных устройств. Причем они относятся не только к производствам расположенным на территории ЕС, но и производителям из других стран, экспортирующим свою продукцию в Европу. Аналогичные инициативы предпринимаются и в других странах, например в США или Японии. Причем в последнем случае они исходят не от правительства, а от крупнейших предприятий в отрасли, например, Sony или Matsushita. В России действует Технический регламент Евразийского экономического союза «Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники» (ТР ЕАЭС 037/2016).
Токсичность свинца – основной, но не единственный недостаток припоев на его основе. Вторая проблема – плохое качество соединения с позолоченными контактами. Золото – инертный металл, который используют для защиты металлических элементов от коррозии и улучшения электрической проводимости контактных площадок и выводов. Наиболее часто оно используется в сборке компьютерной техники, мобильной электроники и средств связи. То есть, проблема достаточно локальная, но для производителей, работающих с подобными компонентами, критичная.
Все это привело к поиску альтернативных металлов и сплавов, которые можно было бы использовать в качестве припоя, и, соответственно, развитию и распространению технологии бессвинцовой пайки.
Развитие бессвинцовой пайки
Первой «заменой» свинцу стало олово – металл, который в промышленности используют очень давно и уже успели хорошо изучить его возможности и свойства. Конкретно в пайке оно показало себя неплохо, обеспечив высокую электропроводность соединения и хорошую смачиваемость контактов. Однако в чистом виде олово имеет ряд недостатков:
- Низкую прочность при малых температурах: уже при +13°С олово теряет стабильность, а при дальнейшем снижении температуры вообще обретает порошкообразную консистенцию.
- При остывании расплавленного припоя внутри капли образуются внутренние напряжения, а под действием внешнего давления они проявляются кристаллическими выростами на поверхности, которые способны создавать перемычки между соседними контактами.
В связи с этим чистое олово в пайке практически не используется. Вместо него применяют сплавы на его основе с добавлением других компонентов в различных пропорциях. В частности:
- серебра,
- золота,
- меди,
- висмута,
- цинка,
- никеля и прочих.
В зависимости от выбранных компонентов и их количества в составе припоя меняются его характеристики и, соответственно, условия возможной эксплуатации. Например, в бессвинцовой пайке активно используют сплавы на основе следующих компонентов:
- Олово/серебро/медь (Sn/Ag/Cu) – отличаются температурой плавления в районе 217-226°С (для сравнения температура плавления чистого олова – 231°С, свинца – 327°С) и хорошо подходят для монтажа компонентов, которые будут работать в условиях повышенной температуры.
- Олово/серебро (Sn/Ag) – обладают чуть более высокой температурой плавления (221-226°), но предлагают большую прочность соединения, поэтому используются в промышленной электронике.
- Олово/медь (Sn/Cu) – точка плавления – 227°С; популярны за счет низкой цены, но могут эксплуатироваться при повышенных температурах, поэтому используются, например, в автомобилестроении.
- Олово/висмут (Sn/Bi) – предлагают улучшенную смешиваемость и пониженную до 133-140°С температуру плавления, поэтому удобны для пайки чувствительных к нагреву компонентов.
- Ближе всего к классическому оловянно-свинцовому припою по характеристикам бессвинцовый состав Sn95.5Ag3.8Cu0.7, состоящий на 95,5% из олова с добавлением 3,8% серебра и 0,7% меди. Однако вместо него в производстве электроники наиболее активно используется другой сплав – SAC 305 (96,5% олова, 3% серебра, 0,5% меди).
Проблемы пайки бессвинцовым припоем
Несмотря на то, что переход на бессвинцовую технологию пайки решил вышеозначенные проблемы, сама она все равно имеет ряд минусов. Среди наиболее значимых:
- Более высокая стоимость бессвинцовых припоев, которая в итоге сказывается на цене итоговой продукции.
- Необходимость дополнительных вложений в переоборудование производственных линий при переходе на новую технологию.
- Часто (но не всегда) более низкая прочность паяных соединений и меньшая их устойчивость к повреждению при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок.
- Химическое разрушение медных контактов и деталей паяльного оборудования компонентами бессвинцовых сплавов.
Подведем итог
Переход на бессвинцовую технологию пайки – это вынужденная мера, которая наиболее актуальна для крупных предприятий, работающих или желающих экспортировать свою продукцию в Европу. В соответствии с RoHS и REACH теперь они вынуждены использовать бессвинцовые составы при производстве электроники и микроэлектроники. Для небольших же локальных производителей и частных мастеров это не очень актуально, поэтому в продаже все еще можно легко найти припои и пасты на свинцовой основе. Кроме того, по ряду показателей более современные сплавы, несмотря на 20-летнее стремление отказаться от свинца, все еще уступают свинцовосодержащим.
