Dodatki poprawiają właściwości starzeniowe połączeń lutowniczych

Autorzy dostępnego w sieci artykułu ‘Reliability of New SAC-Bi Solder Alloys in Thermal Cycling with Aging’  zadali sobie pytanie o trwałość lutów, utworzonych za pomocą pasty lutowniczej z mikrododatkami, w tym w szczególności z dodatkiem bizmutu. Płytkę testową polutowano za pomocą trzech różnych past z dodatkiem bizmutu, porównując wyniki z SAC305:

• Innolot (Sn-3.80Ag-0.70Cu-0.15Ni-1.40Sb - 3.00Bi)
• SAC-Bi (Sn- 3.41Ag- 0.52Cu- 3.3Bi)
• SnCuBi (Sn-0.92Cu-2.46Bi)
• SAC305 (Sn-3.0Ag-0.5Cu)

Dodatkowo, w eksperymencie używano płytek z trzema różnymi wykończeniami powierzchni: ENIG, ImAg oraz OSP. Szczegółowy przebieg i zasady eksperymentu znajdziecie tutaj.

Po montażu wszystkie płytki testowe starzono termicznie w temperaturze 125°C przez okres dwunastu miesięcy. Temperatura 125°C została dobrana tak, aby płytki podlegały efektywnemu starzeniu. Po starzeniu płytki poddano 5.000 cyklom termicznym (zakres temperatur wynosił od -40°C do +125°C, czasy narastania i opadania wynosiły po 50 minut, a czasy przebywania w temperaturach maksymalnych wynosiły 15 minut).

Po tych trzeba przyznać dość drastycznych zabiegach, prawie wszystkie większe BGA (15x15mm, CABGA 208) uległy awarii, podczas gdy wśród innych, mniejszych komponentów tylko kilka uległo awarii (CABGA 36, MLF 20 i SMR). W artykule przedstawiono więc tylko dane dotyczące komponentów CABGA 208.

• W przypadku wykończenia powierzchni ENIG, w porównaniu z SAC305, dodatek bizmutu poprawiał właściwości starzeniowe połączenia. Po usunięciu ze składu pasty Ag i dodaniu Bi obserwowano niewielką poprawę. Przy dodaniu Ag i podniesieniu zawartości Bi do nieco powyżej 3%, trwałość zmęczeniowa ewidentnie się poprawiła. Natomiast po dodaniu kolejnych składników, takie jak Sb i Ni (stop Innolot), trwałość utworzonego połączenia była najlepsza.  
• Eksperymentu z płytkami wykończonymi ImAg dał bardzo podobne rezultaty. Można było jednak zauważyć, że różnica żywotności pomiędzy Innolot’em a SAC-Bi nie była tak duża, jak w przypadku wykończenia ENIG.
• Podobnie jak w dwóch wcześniejszych przypadkach, stosując popularne zwłaszcza w elektronice użytkowej wykończenie OSP, również zauważalna jest różnica w żywotności pomiędzy SAC305 oraz innymi pastami zawierającymi mikrodomieszki. Interesujące jest jednak to, że w przypadku OSP, stop SAC-Bi zachowywał się lepiej niż Innolot.

Podsumowując: we wszystkich trzech przypadkach - ENIG, ImAg i OSP - można było zauważyć, że stopy z domieszkami zachowywały się lepiej od SAC305. Po dodaniu Bi, poprawiała się odporność stopów na powolne odkształcenia pełzające poprawiała się w efekcie wzmacniającego działania osadów Bi. Stwierdzono również, że zastosowanie Bi zwiększa niezawodność połączenia poprzez zmniejszenie grubości kruchej warstwy międzymetalicznej oraz spowolnienie jej wzrostu (trochę dodatkowych informacji na ten temat znajdziecie tutaj). Z kolei Sb przyczynia się do niezawodności poprzez utwardzanie cząstek. Stwierdzono również, że ponieważ Sb lepiej współpracuje z Sn, tworzy się związek Sn-Sb, zmniejszając w ten sposób skłonność do tworzenia warstwy intermetalicznej Cu-Sn.

W przypadku wszystkich tych mikrodomieszek można było to zaobserwować ich pozytywny wpływ na niezawodność tylko wtedy, gdy zostały dodane w określonej proporcji. W przeciwnym razie okazało się, że ich obecność niekorzystnie wpływa na trwałość zmęczeniową połączeń lutowanych.

Podsumowując: zdaniem autorów eksperymentu, dodatki mikrostopowe poprawiają odporność połączeń lutowniczych w porównaniu do SAC305. Jeśli chodzi o wykończenie powierzchni, ENIG wydaje się być lepszy niż ImAg i OSP. Wykończenie ENIG ma warstwę Ni, która działa jako bariera dla dyfuzji Cu z padów do lutowia, zmniejszając w ten sposób wzrost warstwy intermetalicznej. W niektórych przypadkach kombinacja pasty z wykończeniem OSP dawała lepsze rezultaty niż wykończenie ImAg.

Źródło: 'Reliability of New SAC-Bi Solder Alloys in Thermal Cycling with Aging'

Autorzy: Francy John Akkara, Mohammed Abueed, Mohamed Belhadi, Xin Wei, Dr. Sa’d Hamasha, Dr. Haneen Ali, Dr. Jeff Suhling, Dr. Pradeep Lall NSF Center for Advanced Vehicle and Extreme Environment Electronics (CAVE3), Department of Industrial and Systems Engineering, Department of Mechanical Engineering, © Auburn University

Zainteresowany technikami montażu? tek.info.pl jest partnerem medialnym piątej edycji PB Technik Meets Friends, zapraszamy!