Co jeśli nie SAC305 - zróżnicowany rynek spoiw lutowniczych

 Autor oryginału: Tim O’Neill, Technical Marketing Manager AIM

Trochę historii

Doskonale pamiętam pewien moment z roku 1994, kiedy podczas wywiadu próbowałem przypomnieć sobie obraz układu okresowego i skróty stosowane dla cyny (Sn) i ołowiu (Pb). Oczywiście, to nie było to łatwe zadanie, ponieważ oba skróty pochodzą od ich łacińskich korzeni: cyna z wyrazu ‘stannum’ a ołów z ‘plumbum’. W czasie wywiadu podałem nieprawidłowy skrót tytanu (Ti) a nawet słynny nieistniejący pierwiastek unobtainium (Uo). Obaj z moim rozmówcą byliśmy wówczas całkowicie zdezorientowani - wtedy w zasadzie w elektronice był używany tylko jeden stop: Sn63/Pb37. Jedynie kilka specjalistycznych aplikacji wykorzystywało stopy z niewielkim procentem srebra (Ag) w SnPb oraz jeszcze starszy 60/40 SnPb, ale ogólnie przytłaczającą większość rynku stanowił eutektyczny lut cynowo-ołowiowy.

Wprowadzeniem dyrektywy RoHS w 2006 roku zapoczątkowało erę lutowania bezołowiowego. W życiu branży obecna była ożywiona debata i niepewność, jaki stop ma zastąpić niezawodny SnPb. Pod uwagę trzeba było wziąć niezawodność, zgodność procesu i koszty. Z dyskusji towarzyszącej wejściu w życie RoHS jako branżowy standard wyłonił się bezołowiowy stop składający się z cyny, srebra (3,0%) i miedzi (0,5%), czyli znany SAC305. Zadecydowały o tym takie jego cechy jak akceptowalne odporność na zmęczenie termiczne, niska temperatura topnienia w porównaniu do innych stopów branych wówczas pod uwagę i dobre dopasowanie do ukształtowanego wówczas łańcucha dostaw metali, stosowanych do wykończenia wyprowadzeń komponentów i PCB.

SAC305: standard ale nie bez wad

W żadnym wypadku nie była to jednak zmiana gładka i bezproblemowa, towarzyszyły jej bowiem następujące problemy: 

● Wysoki koszt srebra, trzykrotnie podnoszący ceny lutowia w porównaniu do Sn/Pb.

● Rozpuszczanie się miedzi w utworzonych stopach.

● Zgodność posiadanego przez producentów sprzętu.

● Niedostateczna odporność na wstrząs spowodowany upadkiem.

● Występowanie mikropęknięć lub innych defektów

● Mniejsza wydajność zwilżania w porównaniu do SnPb.

● Zjawisko wzrost wąsów cyny (whisker).

● Niestabilne właściwości mechaniczne spowodowane starzeniem.

Rysunek 1: Narastanie wąsów cynowych na stopie SAC305

© AIM

Wraz z rozpowszechnianiem się użycia SAC305, wymienione braki stawały się coraz bardziej ewidentne, powodując ogólne niezadowolenie. W efekcie, już w połowie lat 2000-tych aktywnie poszukiwano alternatywnych rozwiązań znanych i przewidywanych problemów. W wielu przypadkach głównym problemem był koszt materiałów, szczególnie dla wyczulonej na koszty, ‘jednorazowej’ elektroniki użytkowej, która ze względu na niższe wymagania dotyczące niezawodności, została wyznaczona do przejścia na lutowanie bezołowiowe jako pierwsza. W tej też aplikacji najszybciej rozpowszechniły się stopy niezawierające srebra.  

W wielu przypadkach lutowania komponentów THT, zwiększone koszty SAC305 stanowiły większość kosztów gotowego towaru – z tego też względu ewentualne zmniejszenie zawartości srebra oznaczało znaczne oszczędności kosztów.

Alternatywy

W przypadku lutowania na fali temperatura procesu jest mniej więcej taka sama, niezależnie od temperatury topnienia stosowanego stopu – do pracy z SAC305, SnCu, SN100C i wieloma alternatywnymi stopami na bazie cyny może być stosowany zarówno tygiel o temperaturze 500°F (260°C) czy kolba lutownicza osiągająca 700°F (370°C). Tak więc ponieważ wiele procesów lutowania THT było w dużej mierze obojętnych na stosowany stop, szybko doszło do rozpowszechnienia wielu rozmaitych stopów, a SAC305 w wielu wrażliwych na koszty aplikacjach był zastępowany przez SN100C, SACX, K100LD i czy SnCu3. Jednak montaż powierzchniowy i same pasty lutownicze były już znacznie mniej podatne na zmiany stopu z dwóch zasadniczych powodów:

- W przeciwieństwie do lutowania THT, proces SMT posiada mnóstwo ograniczeń, spośród których największe wyzwanie stanowi temperatura szczytowa rozpływu. 

- W przeciwieństwie do lutowania na fali, w którym tylko część układu jest wystawiona na działanie wysokich temperatur, wiele materiałów stosowanych w technologii SMT nie było w stanie wytrzymać wyższej temperatury procesu, wymaganej do prawidłowego rozpłynięcia się pasty SAC305. Codziennością stały się wypaczone płytki, zdeformowane złącza, czy komponenty wyglądające jak popcorn. SAC305 zaczyna topnieć w 217°C, a pełen rozpływ osiąga dopiero blisko 221°C. Alternatywne stopy, które łatwo zdobyły popularność w lutowaniu THT, mają punkt likwidusu bliżej 227°C, dodatkowo zwilżają też łączone powierzchnie wolniej niż SAC305, co przekłada się na jeszcze dłuższy i przeprowadzany w wyższej temperaturze proces rozpływu niż SAC305.

Wpływ 3-procentowego dodatku srebra na koszt montażu SMT jest znikomy w porównaniu z wpływem, jaki wywiera na koszty lutowania na fali. SAC305 nie stwarza też problemów procesowych i charakteryzuje się dużą niezawodnością - tym samym pozostaje globalnym standardem w procesie lutowania rozpływowego.

Czy może to się zmienić?

Wyjątki zawarte w RoHS już wygasły, dodatkowo rynek czeka gwałtowny wzrost ilości wymagających aplikacji transportowych czy IoT. Wydaje się, że względu na wymagania procesu, a także w mniejszym stopniu na koszty, rynek stopów do montażu powierzchniowego czeka więc podobne rozdrobnienie, jak obserwowano w przypadku lutów do montażu przewlekanego. 

Stopy SAC o wysokiej zawartości srebra (> 3%) wykazują słabą odporność na wstrząs mechaniczny w porównaniu ze stopami o mniejszej zawartości srebra. Rysunek 2 pokazuje duże srebrne ‘płytki’, nieregularności w strukturze lutu, które zmniejszają jego niezawodność. Są to oczywiście niepożądane cechy i stąd też wynika duże zainteresowanie alternatywami ze strony projektantów i inżynierów opracowujących wearables lub układy pracujące w trudnych warunkach (np. pojazdy autonomiczne).

Rysunek 2: Wadliwe połączenia na bazie SAC305

© AIM

Jedną z głównych słabości stopów SAC są ich właściwości fizyczne. Struktura ziaren SAC305 ‘pogrubia’ się wraz z upływem czasu, osłabiając tym samym połączenie lutowane. Rysunek 3 przedstawia wpływ starzenia termicznego i pogrubiania się struktury ziarnistej SAC305, co powoduje pogorszenie właściwości mechanicznych, osłabiających się wraz z każdym cyklem termicznym, co może nawet doprowadzić do rozpadnięcia się lutu. 

Rysunek 3: Wpływ starzenia termicznego i pogrubiania się struktury ziarnistej SAC305

© AIM

Poszukując rozwiązania tych problemów, producenci stopów lutowniczych stale wprowadzają kolejne innowacje. Wraz z wygasaniem kolejnych wyjątków zawartych w dyrektywie RoHS, na rynku pojawiają się nowe opcje, takie jak stopy zawierające bizmut, czy inne domieszki. 

Bizmut (Bi) ma już długą historię na rynku stopów lutowniczych. Jego domieszka obniża temperaturę topnienia lutowia, poprawia zwilżanie, stabilizuje strukturę ziaren lutowia, ponadto jest też stosunkowo niedrogi. Te cechy są odpowiedzią na główne wady wielu bezołowiowych lutów dostępnych obecnie na rynku.

Mając na uwadze wymienione zalety, powstaje naturalne pytanie, dlaczego nie użyto bizmutu od początku? Otóż przy pewnym poziomie zawartości bizmutu, metal ten łączy się z ołowiem, tworząc trójskładnikowy stop o temperaturze topnienia 97°C. Podczas nagrzewania się układu, niska temperatura topnienia spoiny może spowodować jej stopienie i wyciekanie, powodując liczne problemy z niezawodnością. Jednak obecnie, kiedy w dobie RoHS ołów jest praktycznie wyeliminowany, dodatek bizmutu w stopie lutowniczym stał się atrakcyjną opcją.

Oprócz bizmutu pojawiają się domieszki innych pierwiastków, tworząc obietnicę zwiększenia wydajności nowych stopów bezołowiowych. Pierwiastki takie jak cynk (Zn), german (Ge), mangan (Mn) i nikiel (Ni) pojawiają się w stopach, poprawiając ich wybrane parametry.

Co dalej?

Kiedy i jak zakończy się proces upowszechniania się alternatywnych stopów i jak wpłynie to powszechną praktykę montażu? Trudno obecnie przewidzieć, który stop lub która ich kombinacja na stałe uzupełni lub nawet zastąpi rodzinę SAC. Jest jednak jasne, że prace nad stopem mającym być odpowiedzią na wady obecnie stosowanych stopów SAC będą kontynuowane. Ponieważ coraz więcej aplikacji wymaga specyficznych właściwości lutu, spodziewana jest dalsza fragmentacja rynku stopów SMT, a więc proces, który w pewnej mierze przypomina ewolucję rynku stopów do lutowania na fali.

Niezależnie od tego, czy było to spowodowane technologią, ekonomią czy regulacjami prawnymi, od samego początku montaż PCB podlegał ciągłej ewolucji. Innowacja definiuje naszą branżę, a nowym technologiom przyświeca chęć uzyskania wyników, które kiedyś uważano za nieosiągalne.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firm AIM oraz Scanditron

Autor: Tim O'Neill