Мы заменяем припои три раза в день на линии пайки волновой пайкой не потому, что температура плавления недостаточна, а потому, что скорость окисления слишком высока. После того, как окалина накапливается в камере, часто возникают спайки и перемычки в паяных соединениях. Основная причина кроется в плохо согласованном синергическом эффекте серебра и меди в составе сплава. Состав Sn99.0Ag0.3Cu0.7 имеет значительно более непрерывную поверхностную оксидную пленку, чем Sn99.3Cu0.7, во время динамической пайки погружением при 250°C. Первый поддерживает долгосрочную стабильную массовую долю окалины в пределах от 0,8% до 1,2%, а второй часто превышает 2,5% с сильными колебаниями.
Серебро не просто повышает температуру плавления; в жидком олове он предпочтительно соединяется с кислородом, образуя смешанный пассивирующий слой SnO-Ag?O. Эта структура имеет более высокую плотность, чем чистый SnO, и фактические измерения показывают, что скорость проникновения кислорода на единицу площади снижается примерно на 38%. Медь, с другой стороны, ингибирует Sn?O? укрупнение зерна. Если содержание меди ниже 0,5%, оксидный слой склонен к растрескиванию; если оно превышает 0,9%, это усугубляет коррозию топочной камеры. Таким образом, 0,7% является критическим значением, которое балансирует стойкость к окислению и срок службы оборудования.
Некоторые пытались добавить 0,05% никеля для подавления образования окалины, но обнаружили скопления микропор, появляющиеся на поверхности паяного соединения. Под микроскопом никель выделяется на краях паяного соединения, образуя обогащенную полосу, в результате чего угол смачивания увеличивается более чем на 12°. Точно так же добавление 0,02% германия может измельчить зерна, но остатки флюса реагируют с германием с образованием GeO? взвешенные частицы, что в три раза увеличивает частоту засорения форсунок. Эти изменения, по-видимому, уменьшают количество окалины, но смещают проблему в надежность пайки.
На производственной линии используются платы измерения температуры пайки оплавлением для синхронного контроля градиента температуры на поверхности ванны припоя. Установлено, что при разнице времени пребывания одного и того же стержня припоя в разных температурных зонах более чем на 15 секунд частота разрушения ошлаковой оболочки серебросодержащих стержней припоя вдвое меньше, чем у стержней без серебра. Это указывает на то, что серебро не только влияет на химическую стабильность, но и улучшает равномерность распределения термических напряжений. Однако это не означает, что чем больше серебра, тем лучше. Когда Ag достигает 0,5%, толщина слоя IMC паяного соединения увеличивается слишком быстро, а скорость растрескивания при термоударных испытаниях при температуре -40°C вместо этого увеличивается на 27%.
Колебания между партиями припоев часто связаны с примесями меди. Если электролитический медный порошок содержит более 0,005% железа, он катализирует превращение SnO? из аморфной фазы в кристаллическую, в результате чего оксидный слой теряет пластичность. Однажды из-за этой проблемы мы отказались от двух последовательных партий PCBA. Позже мы перешли на распыленный медный порошок и увеличили количество проверок EDS для каждой поступающей партии, что снизило среднесуточное приращение окалины с 1,8 кг до менее 0,9 кг.
