5.3. Покрытия для бессвинцовой пайки

При решении вопроса о надежности паяных соединений, наряду с выбором оптимальных способов и режимов пайки, необходимо учитывать состав и свойства паяемых покрытий. К покрытиям предъявляются следующие основные требования

• они должны обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами;

• сохранять способность к пайке и сварке при заданном сроке хранения; обеспечивать антикоррозионную защиту;

• не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации.

• обеспечивать минимальное переходное электрическое сопротивление;

• быть устойчивыми к тепловому удару при монтаже приборов на печатные платы пайкой, к химическим реагентам, используемым в процессе сборки;

• обеспечивать адгезию компаунда при герметизации прибора опрессовкой полимером.

В США, начиная с 2004 г. запрещено использование свинца в паяемых покрытиях. В качестве заменителей Sn-Pb покрытий используются следующие металлы и сплавы: чистое Sn, Sn-Bi, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Ni, а также наносимые химическим путем Ag, многослойные Ni-Pd-Au, Ni-P/Au и Ni/Au покрытия. Для печатных плат с высокой плотностью элементов рекомендовано использовать Sn/Cu покрытие, осаждаемое из электролита состава, (г/л): 40Sn/0,5Cu (в виде метансульфоната), метансульфоновая кислота 200, органическая добавка 40 мл/л. Режимы осаждения: J_к = 16-24 А/дм², Т = 35-42 С,  = 1 мин.

Плавящееся покрытие из не менее двух слоев металлов, при расплавлении образующих эвтектический припой наносят на паяемую поверхность. Толщина покрытия 1-20 мкм. Рекомендуется наносить следующие сочетания металлов: 82,5Au/17,5Ni, 55Cu/45Sn и 79Au/17Cu/4Cd.

Анализ паяных поверхностей полупроводниковых кристаллов и оснований корпусов показал, что для пайки бессвинцовыми припоями в первую очередь необходимо проанализировать следующие покрытия: цинковое, никелевое, никель – олово, серебряное, оловянное, цинк – олово и олово – висмут.

5.3.1. Цинковое покрытие

Цинк принадлежит к электроотрицательной группе металлов; его стандартный потенциал минус 0,763 В. Реагирует цинк с H₂S и сернистыми соединениями, образуя сернистый цинк. В сухом воздухе Zn почти не изменяется. Во влажном воздухе и в воде, содержащей CO₂ и O₂, он покрывается пленкой, состоящей из ZnCO₃, которая защищает металл от дальнейшего разрушения. В условиях тропиков цинковое покрытие нестойко. Особо значительна скорость коррозии Zn в атмосфере промышленного города. Солевые пленки на цинке отличаются хорошей растворимостью, легко смываются влагой. Защитные свойства Zn покрытия определяются его толщиной и равномерностью осаждения.

Цинкование производят в простых (кислых, сернокислых, хлористых, борфтористоводородных) и сложных комплексных (цианистых, цинкатных, пирофосфатных, аммиакатных, аминокомплексных с различными органическими аддендами и др.) электролитах. В простых электролитах на катодный процесс при осаждении Zn оказывает влияние кислотность электролита. Практически применяют электролиты цинкования с рН 4-5. Органические вещества, вводимые в кислые электролиты цинкования в качестве добавок, улучшают структуру, внешний вид покрытий и равномерность распределения его на катодной поверхности.

Аноды для цинкования в кислых электролитах изготовляют, как правило, из чистого электролитического Zn (99,8-99,9 % Zn), который может содержать менее 0,03 % Pb; 0,02 Cd; 0,002 % Cu; 0,007 % Fe и 0,001 % Sn.

В качестве покрытий обратной поверхности кристаллов и оснований корпусов под пайку бессвинцовыми припоями заслуживает внимания осаждение сплава Zn-Sn. Данный сплав улучшает паяемость деталей в большей степени, чем Zn покрытия и несколько повышает их коррозионную стойкость. Основной состав электролита следующий, (г/л): ZnO (20-25), NaOH (100-120), станнат натрия (0,4-0,5). Режимы осаждения: Т = 25-30 °С; J_к = 1-1,5 А/дм²; аноды из цинка с присадкой 0,2-0,3 Sn.

Цинк во влажном воздухе покрывается пленкой, состоящей из карбоната цинка, тогда как в сухом воздухе цинк изменяется незначительно. Солевые пленки на цинке отличаются хорошей растворимостью, легко смываются влагой.