Materiale utilizate pentru lipire in electronica

Materiale utilizate pentru lipire in electronica

1. Aliaje pentru lipire

Aliajele pentru lipit se clasifica, din punct de vedere al temperaturii de topire, astfel:

- moi, sau usor fuzibile - acelea care au temperatura de topire sub 400-450°C (aliajele pe baza de staniu, plumb, cadmiu, indium, bismut si de zinc) si greu fuzibile - acelea care au temperatura de topire peste 450-500°C (aliajele cu baza de cupru, argint, aur, aluminiu, magneziu si nichel).

Pentru obtinerea unor imbinari de calitate, metalele si aliajele folosite pentru lipire trebuie sa aiba urmatoarele caracteristici:

temperaturi de topire interioare temperaturilor de topire ale metalelor de baza;

valori mari ale intinderii si udarii;

fluiditati ridicate, necesare pentru o buna umplere a cusaturii;

rezistente si plasticitati mari;

rezistente la coroziuni mari;

coeficienti de dilatare liniara aproape egali cu cei ai metalelor de baza;

conductivitate electrica mare, necesara pieselor prin care circula curent electric;

preturi de cost scazute.

Aliajele pentru lipit usor fuzibile sunt formate din metale cu temperaturi joase de topire, cum sunt: staniul, plumbul, bismutul, cadmiul, zincul, indiul etc.

Lipiturile executate cu aliaje usor fuzibile se caracterizeaza in afara de temperaturi joase de topire, prin duritate mica (de unde denumirea de aliaje pentru lipit moi) si prin proprietati mecanice reduse. Asemenea lipituri se folosesc numai pentru piesele care vor functiona la temperaturi nu prea ridicate (50-200°C) si la eforturi mecanice reduse. In procesele tehnologice de realizare a contactarii prin lipire sunt folosite pe larg aliajele moi, usor fuzibile, realizate pe baza de staniu. Principalul metal utilizat pentru alierea fost plumbul. Acum suntem in plin proces de inlocuire a plumbului si utilizare a aliajelor fara plumb.

1.1. Aliaje pentru lipire, moi, cu plumb

Conform diagramei binare de faze (Fig. 1.1. a.), aliajele cu proportia Sn/Pb 63/37 in greutate, prezinta propietatea de a fi eutectice.

 a.b.

Fig. 1.1. Diagramele de faze pentru aliaj: a. SnPb. b; Sn/Ag/Cu

Aceste aliaje prezinta un punct de topire la 183°C (temperatura eutectica Sn/Pb) si dupa solidificare prezinta o structura granulara uniforma din granule pure de staniu respectiv plumb fara structura intermetalica. In jurul acestei proportii au fost create variante practice de aliaje utilizate in industrie, cele mai cunoscute fiind 60/40 Sn/Pb si 62/36/2 Sn/Pb/Ag. Introducerea argintului in compozitie a coborat temperatura de topire la 179°C si a imbunatatit rezistenta mecanica si comportamentul la variatii de temperatura. Din acest motiv acest tip de aliaj este preferat in aplicatiile profesionale si cele militare.

1.2. Aliaje pentru lipire, moi, fara plumb

Acest tip de aliaje pentru lipire au aparut ca o consecinta a promovarii directivelor europene WEEE si RoHS. Pentru inlocuirea plumbului din aliaje au fost studiate influentele determinate de diferite metale, in principal:

- Argintul, imbunatateste rezistenta mecanica, este mai putin ductil decat plumbul, in absenta plumbului creste rezitenta la la variatii de temperatura;

- Cuprul, scade punctul de topire, imbunatateste umectarea;

- Bismuth scade punctul de topire, imbunatateste umectarea;

- Indium, scade punctul de topire, imbunatateste ductilitatea

- Zinc, scade punctul de topire, si are pret scazut;

- Antimoniu, creste rezistenta mecanica fara sa afecteze umectarea.

Cele mai raspandite aliaje de lipit fara plumb (Lead-Free) la acest moment sunt SnAgCu, SAC care asa cum rezulta din diagrama de faze (Fig. 1.1. a.) nu sunt eutectice si prezinta un domeniu pentru temperatura de topire:

- SnAg0Cu0.5 care are proportia 3% Ag si 0.5% Cu, temperatura de topire in intervalul 217-220 °C;

- SnAg5Cu0.7 care are proportia 5% Ag si 0.7% Cu, temperatura de topire in intervalul 217-218 °C;

- SnAg8Cu0.7 are proportia 8% Ag si 0.7% Cu, temperatura de topire in intervalul 217-218 °C;

- SnAg5Cu0.9 cu 0.9% Cu eutectic la 217°C

2. Paste pentru lipire

Pasta de lipit este amestec omogen si stabil din pudra de aliaj de lipit, flux si solvent capabil sa formeze structuri metalurgice in conditii determinate de lipire utilizata in productia automatizata in scopul realizarii contactarii prin lipire fiabile si integre.

2.1. Cerinte pentru pastele de lipit

- sa fie suficient de fluida pentru a putea fi aplicata prin printare sau dispensare (flow);

- sa permita presarea si deformarea pentru formarea depozitului de pasta (rheology, thixotropy);

- depozit sa se mentina fara sau imprastiere (slump, spread);

- sa fie suficient de aderenta pentru a pastra pe pozitie componentele plantate pe durata operatiunilor (Tackiness);

- particulele solide de aliaj din pasta sa fuzioneze intr-o singura masa (metallurgical bond);

- sa posede suficient flux pentru a asigura umectarea de catre masa de aliaj a suprafetelor de lipit (Activity);

- sa produca minimum de reziduri;

- sa pastreze calitatile un timp suficient pentru manipulare dupa dezambalare la temperatura ambianta.

2.2. Componenta pastelor pentru lipit

Pasta pentru lipit contine o parte permanenta, pudra de aliaj pentru lipit care va forma masa utila a lipiturii si o parte constituita din flux, solventi, decapanti si alte substante care in urma procesului de lipire se vor volatiliza, descompune si reactiona chimic formand rezidul. Componenta pastei poate fi exprimata in volum sau in greutate. Masa metalica de aliaj pudra reprezinta 90% din masa totala a pastei pentru lipit si ocupa 50% din volum (Fig. 2.2.).

Pudra este obtinuta din aliajele de lipit prezentate si pot fi cu sau fara plumb. Pentru pastele cu plumb s-a generalizat formula Sn62%Pb36%Ag2%. Pentru pastele fara plumb se folosesc aliajele tip SAC305.

Fig. 2.2. Componenta pastelor pentru lipit

2.2.1. Pudra de aliaj pentru lipit

Pudra este obtinuta din aliajele de lipit prezentate si pot fi cu sau fara plumb. Pentru pastele cu plumb s-a generalizat formula Sn62%Pb36%Ag2%. Pentru pastele fara plumb se folosesc aliajele tip SAC305.

Pentru a asigura cerintele impuse pastelor se controleaza urmatorii parametrii ai pudrei:

- forma particulelor;

- distributia dimensiunilor particolelor;

- continutul de oxizi.

Oxizii se formeaza superficial pe suprafata particolelor de aliaj din pasta. Deoarece sfera are aria suprafetei minima raportata la volum, particolele sferice vor furniza cantitatea minima de oxizi in pasta. O data cu scaderea dimensiunilor capsulelor, care se rasfrange in scaderea padurilor corespunzatoare amprentei terminalelor componentelor (foot print) si, implicit, in micsorarea dimensiunilor aperturilor la sitele de depunere a pastei de lipit, sunt necesare granulatii din ce in ce mai fine pentru pastele de lipire (Tab. 2.1.). Un aspect important in tehnologia pastelor este inmultirea numarului de particule duce la cresterea suprafetei totale expuse la oxidare.

Este foarte dificila si costisitoare obtinerea unei pudre lipsite de oxizi. Oxizii determina aparitia bilelor de aliaj la lipire si afecteaza solderabilitatea Se considera satisfacator un continut de oxigen in pudra de 50 - 200 ppm.

2.2.2. Fluxuri pentru lipire

• Rolul si cerintele tehnologice ale fluxurilor in procesul de lipire

Dupa cum s-a aratat in capitolul 2, pentru a se obtine conexiuni prin lipire corespunzatoare este necesar cu aliajul de lipit in stare topita sa ude cat mai bine suprafetele metalelor de baza. Umectarea este determinata de raportul tensiunilor superficiale la suprafetele de separatie intre mediile solid (metale de baza) - lichid (aliaj de lipit topit) - gazos (aer sau mediul inert). Acest raport poate fi modificat in sensul favorizarii udarii daca in acest sistem se inlocuieste mediul gazos printr-un mediu lichid corespunzator, care este reprezentat tocmai de fluxul pentru lipire, denumit uneori fondant sau decapant.

Fluxurile sunt compusi chimici cu o actiune complexa rolul lor fiind:

- sa curete suprafetele metalelor ce trebuie lipite de oxizi si de alte impuritati;

- sa le protejeze de contactul cu aerul inainte de lipire (preintampinand astfel o eventuala reoxidare);

- sa contribuie la reducerea tensiunii superficiale a aliajului de lipit topit, favorizand astfel procesul de umectare.

Fluxurile trebuie sa indeplineasca urmatoarele cerinte tehnologice:

- sa aiba o temperatura de topire inferioara celei a aliajului de lipit, astfel incat sa-si poata indeplini in bune conditiuni functia; la alegerea fluxului trebuie avut in vedere si faptul ca o temperatura de topire prea joasa a acestuia poate conduce la "arderea" sa, inainte de inceperea procesului de lipire propriu-zis. Pentru a se preintampina aceasta, au fost realizate fluxuri care isi indeplinesc rolul doar incepand de la o anumita temperatura de activare, datorita activantilor pe care il contin.

- sa posede, la temperatura de lipire, o fluiditate suficienta, pentru a se intinde uniform pe suprafetele metalelor de baza, patruzand cu usurinta in iterstitii;

- sa imbunatateasca conditiile de umectare a suprafetelor metalelor de baza catre aliajul de lipit in stare topita.

- sa dizolve usor, complet si la timp (inainte de aplicarea aliajului de lipit topit la locul imbinarii) peliculele de oxizi de pe suprafetele metalelor de baza; fluxull trebuie astfel ales incat actiunea sa sa aiba loc la o temperatura cu cateva grade mai joasa decat temperatura de topire a aliajului de lipit, in caz contrar existand riscul epuizarii actiunii sale inaintea momentului lipirii propriu-zise.

- sa fie stabil din punct de vedere chimic, atat in timpul depozitarii (la temperaturi normale) cat si in timpul lipirii (la temperatura de lucru); sa nu fie absorbit si sa nu formeze nici un fel de combinatii cu metale de baza sau aliajul de lipit, deoarece acestea ar putea conduce la stabilirea rezistentei mecanice si a stabilitatii la coroziune a lipiturilor.

- sa aiba o adeziune mai slaba la metalele de baza decat cea a aliajului de lipit, pentru ca aliajul sa poata acoperi cu un strat continuu suprafata de lipire.

- sa nu produca fum sau emanatii de gaze nocive pentru operatori sau componentele lipite.

- resturile fluxului de lipire, ca si produsele sale de descompunere trebuie sa iasa la suprafata aliajului de lipit dupa ce acesta a facut priza cu metalul de baza,de unde sa poata fi indepartate usor prin stergere sau spalare usoara.

Pentru conexiunile prin lipire din aparatura electronica, indepartarea prin spalare a resturilor de flux este dificila. In acest caz, trebuie sa fie utilizate fluxuri care, in afara cerintelor amintite anterior indeplinesc si o serie de conditii suplimentare pentru resturile de flux:

- sa fie bune izolatoare, prezentand deci o rezistenta electrica ridicata;

- sa fie suficient de dure, pentru a nu colecta pe suprafata lipiturii praful si alte impuritati, ceea ce poate duce la pierderi de curent electric;

- sa nu fie corozive pentru componentele electronice;

- sa nu fie higroscopice, absorbtia apei - in special pentru aparatura ce functioneaza in conditii de umiditate marita conduce la acumularea de electrolit pe suprafata imbinarii si coroziuni sau, la aparitia delaminarilor si a deteriorarilor mecanice in timpul procesului de lipire.

• Fluxul utilizat la pastele pentru lipit

Formula tipica a fluxului utilizat la pastele pentru lipit este: colofoniu/rasina sintetica + solvent +  ameliorator reologic + activator. Colofoniul este o rasina naturala, find un extract din conifere. El poate fi modificat chimic pentru a capata caracteristici specifice cum ar fi rezistenta la oxidare. Colofoniul actioneaza de asemenea ca un izolant, care il face ideal pentru formula 'no-clean' a pastelor de lipit. Totusi, colofoniul are fluctuatii semnificative in consistenta in functie de provenienta.

Rasina sintetica este similara colofoniului, dar este un produs artificial obtinut in laborator dupa formule chimice exacte. Are avantajul de a avea variatii foarte mici de la lot la lot.

Solventul actioneaza ca un transportator (vehicle) de particule si asigura sistemul de curgere a pastei. Solventul determina durata de viata a pastei, timpul de expandare a recristalizarii, tasarea si profilul de lipire. O presiune scazuta a vaporilor de solvent poate creste durata de folosire a pastei si reactia la recristalizare, in timp ce un solvent cu un punct scazut de fierbere poate produce o vaporizare exploziva in timpul recristalizarii (reflow) si poate determina o excesiva interferenta cu vecinatatile conductive. In schimb, un solvent cu punct ridicat de fierbere poate da nastere voidurilor in lipituri. In general se utilizeaza un solvent care determina o recristalizare uniforma si un timp de utilizare indelungat care nu necesita o preincalzire puternica si timp de inmuiere.

Amelioratorul reologic este un aditiv care influenteaza definitia de printare si curgere a pastei de lipit, precum si caracteristicile de tasare si are un rol important in prevenirea separatiei straturilor de pasta in timpul stocarii indelungate. Amelioratorul are proprietati thixotropice si poate afecta vascozitatea si stabilitatea vascozitatii.

Activatorul are rolul de a curata oxizii si produsii metalici care contamineaza suprafetele in timpul recristalizarii. Totodata previne inalta reactivitate a metalului topit in reactie cu atmosfera in timpul procesului de recristalizare (sunt tipic acizi). 

Pastele 'no-clean' si cele ale caror reziduri pot fi spalate cu apa utilizeaza activatori avansati. Reziduurile sunt curate, nu necesita spalare si elimina necesitatea de cosmetizare a circuitelor imprimate dupa echipare, ceea ce se resfrange intr-un cost de utilizare scazut.