Nanotechnologie v pájení

Z elektronických přístrojů se nejčastěji v odpadu objevují mobilní telefony, skládající se z až 50 % plastů (bez izolací), které však představují pouhé 1 % potenciálu toxicity (TPI), zatímco kovy s podílem hmotnosti 22 % se na toxicitě podle TPI podílejí téměř 90 %, z toho měď 45 %, nikl 20 %, stříbro 17 %, cínolověné pájky 4 %, kobalt 1 %, kadmium, rtuť, chrom CrVI a další kovy 3 %. U nových konstrukcí elektroniky se sice již používají vysokoteplotní plasty, nejčastěji polytetrafluorethylen (PTFE), polysulfon (PSU), polyimid (PI), polyetheretherketon (PEEK), liquid crystal polymer (LCP), které retardanty hoření nepotřebují a umožňují použití pájek bez olova. Jejich užívání je však stále spojeno s technologickými problémy, kde nanotechnologie může nabídnout řešení.

Nově vyvinuté pájecí slitiny nahrazující tradiční eutektické slitiny Sn63Pb37 s teplotou tavení 181 °C, jako jsou blízkoeutektické ternární bezolovnaté slitiny Sn-Ag-Cu (SAC) a Sn-Ag-Bi (SAB), příp. binární slitiny Sn-Ag a Sn-Cu, s přiměřenou odolností vůči tepelné únavě, dobrou pevností spoje a smáčivostí, však vyžadují pájecí teplotu nad 215 °C až 245 °C, vyšší až o 35 °C, jíž se do elektronických komponent vnáší nežádoucí tepelná napětí ve srovnání s pájením Sn-Pb pájkami při 210 °C. Pájky Sn-Ag-Bi, obsahující vizmut, mají vynikající tepelněúnavové vlastnosti, výborné smáčení a nižší teplotu tavení než Sn-Ag-Cu pájky. Pokud se však v pájeném místě vyskytne olovo, může dojít ke vzniku nízkotavitelné fáze Sn-Pb-Bi s teplotou tavení pouhých 96 °C. Uvádí se, že tento typ pájek by se mohl bezpečně uplatnit až po zákazu a úplném odstranění stop olova z komponent, kontaktů a desek po 7 až 10 letech bez nebezpečí zhroucení spojů.

Způsob reaktivního pájení pomocí technologie NanoFoil (Ni-Al) s iniciací reakce vnějším zdrojem. Pramen: Indium Corp.

Binární eutektická slitina Sn99,3-Cu0,7 je zase levnější, protože neobsahuje stříbro, má však vyšší teplotu tavení 227 °C a může galvanicky korodovat spoje obsahující železo. Binární eutektická slitina Sn96,5-Ag3,5 má vyšší teplotu tavení 225 °C a horší smáčivost. Přísada india sice může teplotu tavení snížit u Sn90-Ag3,5-In6,5 na 209 °C a u Sn87,5-Ag3,5-In9 na 206 °C, nepatrně zlepší i kontaktní úhel smáčení, ale sníží pevnost ve střihu spoje o 14, resp. 6 %, vlivem tvorby hrubší Sn-In fáze. Míra snížení teploty tavení u těchto binárních slitin není přínosná pro vysokou cenu india. Hlavní proud tak stále představují slitiny Sn-Ag-Cu, příp. Sn-Ag-Cu-In. Přehled užívanějších pájkových slitin bez olova a india z produkce Indium a S-Bond Technologies uvádí tab. 1. Některé slitiny obsahují i přísady gallia a ceru v množství max. 0,2 % každého, pro zlepšení smáčivosti, resp. zjemnění zrna.

Nejnovější vývoj se ubírá cestou pájecích slitin s velikostí zrn v nanooblasti a využívá poznatku, že teplota tavení se snižuje s velikostí zrna. Předběžný výzkum iniciativy výrobců elektroniky NEMI (National Electronics Manufacturers Initiative) týmu NEMI Nano Solder Project Team demonstruje, že mezi snížením teploty a velikostí zrna existuje dokonce přímá závislost a naznačuje, že s využitím tohoto fenoménu lze vyvinout pájky s nižší teplotou tavení a přispět tak k vyšší spolehlivosti elektroniky. Prvním úkolem bylo vytvoření nanočástic Sn, Ag a Cu a demonstrace nižších teplot tavení a tuhnutí na diferenciálním skenovacím kalorimetru (DSC). Již podle výzkumu z roku 1996 se ukazuje, ve srovnání s teplotou tavení technického cínu 232 °C, že snížením velikosti atomového poloměru cínu pod 8 nm lze dosáhnout teploty tavení pod 200 °C.

Mikrostruktura pájeného spoje měď-pájka-NanoFoil-pájka-měď. Pramen: TU Ilmenau

Značného pokroku bylo dosaženo i v technologii výroby práškových pájecích slitin s velikostí zrna d80 i pod 2 μm (příp. podle hodnoty počtu alfa částic 0,02 až 0,002 cph.cm-2 pro citlivé obvody dynamické logiky, kde cph znamená counts per hour), kde např. německá Heraeus Materials Technology vyrábí slitiny Sn96,5Ag3Cu0,5 (SAC 305) a  Sn95,5Ag4Cu0,5 s teplotou pájení 217 °C, Sn98,5Ag1Cu0,5 (217–227°C), Sn96,5Ag3,5 (221 °C), Sn99,3Cu0,7 (227 °C) a Sn95Sb5 (232–240 °C) pro pájecí pasty a nové slitiny Innolot (kde vlastníkem ochranné známky je Henkel) s vysokou teplotní stabilitou do 150 °C, důležitou pro spolehlivou funkci elektroniky v motorovém prostoru automobilu. Nová šestisložková slitina Innolot typu Sn90Ag3,8Cu0,7Bi3Sb1,4Ni0,1 (také SAC387Bi3Sb1,4Ni0,1) s nižší teplotou pájení 206–217 °C je plně kompatibilní se slitinami Sn95.5Ag3.8Cu0.7 (SAC387) a Sn96.5Ag3Cu0.5 (SAC305). Slitiny tohoto typu se používají i ve formě past pro tisk propojení obvodů. Výzkum bezolovnatých slitin, studium jejich vlastností a vývoj pájecích technik pro mikročipy prodělávají dnes obrovský boom.

Slibnou aplikací nanotechnologie v pájecím procesu je užití nanoreaktivních fólií vytvořených tisíci střídajících se vrstev hliníku a niklu umístěných mezi povrchy, které mají být spájeny, např. desek tištěných spojů v technologii reaktivního pájení (reactive bonding). Alternativně se užívá i nanovrstev titanu a hliníku, titanu a amorfního křemíku, avšak připravují se i nanovrstvy titan-bor a hliník-palladium. Fólie se vyrábějí v tloušťkách 40, 60, 80, 100 a 150 μm, kde typická tloušťka jedné dvojvrstvy Al-Ni je 50 nm, vakuovým napařováním.

Zapálení reakce fólie NanoFoil. Pramen: Indium Corp.

Po aktivaci malým množstvím energie dochází k rychlé chemické exotermické reakci, šířící se rychlostí 6,5–8 m.s^-1, spojené s vývinem tepla 1 200–1 300 J.g^-1, místně dosahující teploty až 1 500 °C ve zlomku vteřiny, která taví vrstvy pájky a váže okruhy tištěných spojů k substrátu se vznikem intermetalické fáze niklaluminidu (NiAl). Zapalovací energii dodává elektrická jiskra (postačí i dotyk 50 W), plamen nebo laserový pulz (úpravou šíře paprsku a energie lze fólie řezat). Množství uvolněné energie je přímo úměrné počtu nanovrstev Al a Ni v nanofólii.

Technologie má přitom řadu předností. Nejenže je rychlá a pracuje bez použití tavidla, minimalizuje tvorbu pórů a nevyžaduje čištění spoje od zbytků tavidla. Probíhá pouze v tuhé nebo tekuté fázi bez vývoje plynu. Reakční teplo při tomto procesu pájení zůstává soustředěno do tepelně ovlivněné oblasti spoje a nešíří se do základního materiálu, jehož vlastnosti by mohlo ovlivnit.

NanoBond je technologie využívající fólie NanoFoil jako zdroj tepla nejen při měkkém, ale i při tvrdém pájení. Používá fólie NanoFoil povlakované pájkovou slitinou na obou stranách. Výhodou postupu je lokální natavení pájky a rovnoměrné rozdělení tepla s tepelným ovlivněním materiálu pouze v úzké tepelně ovlivněné zóně, na rozdíl od pájení v peci. Proces je schopen spojovat nestejnorodé materiály – polovodiče, kovy, keramiku a polymery bez pórů a nebezpečí praskání i při rozdílných hodnotách součinitele délkové tepelné roztažnosti a při normální teplotě. Pájení má vysokou produktivitu a zcela vylučuje nevýhody pájení v peci.
Technologie NanoFoil a NanoBond byly původně vyvinuty v laboratořích Lawrence Livermore National Laboratory kalifornské univerzity při hledání výroby multivrstvé optiky pro extrémní UV a rtg. záření. Ochrannou známku NanoFoil používají společnosti Reactive Nano Technologies z Hunt Valley (MD) a Indium Corporation v Clintonu (NY). Technologie NanoBond se používá pro montáž elektroniky, pájení chladičů počítačů, senzorů a LED diod k tištěným spojům a komponent ovládání elektrických a hybridních vozidel, pájení kompozitních pancířů obrněných vozidel, napařovacích terčů z keramiky a žáruvzdorných kovů, koncentrických solárních článků solárních pecí a velkoplošných aplikací s rovnoměrnou tloušťkou pájené vrstvy.

Jedním z provozovatelů technologie pájení především nestejnorodých materiálů kovů, keramiky (pájení slitinami india), kompozitů a reaktivních kovů je americká společnost S-Bond Technologies z Lansdale (PA). Speciální je použití slitiny S-Bond k pájení tepelně vodivých grafitových pěn Poco Foam z vývoje Oak Ridge National Laboratory. Technologie byla oceněna již v roce 2005 jako jedna ze špičkových 100 R&D v USA s použitím v leteckém, kosmickém a obranném průmyslu.

Ing. Alexandr Abušinov

Tab. 1
Příklady chemického složení a teplot tavení bezolovnatých pájek Indalloy a S-Bond. Pramen: Indium Corp. a S-Bond Technologies

Tab. 2
Vlastnosti reaktivních fólií NanoFoil. Pramen: S-Bond Technologies