Lutowanie niskotemperaturowe przy użyciu stopów zawierających bizmut

Wstęp

Zgodnie z mapą drogową, opublikowaną przez iNEMI w 2015 roku, korzyści techniczne i ekonomiczne lutowania w niższych temperaturach zwiększą użycie past lutowniczych o obniżonej temperaturze pracy z obecnego poziomu poniżej 1% do około 20% w ciągu następnych dziesięciu lat. Pomimo znacznych rynkowych możliwości wzrostu, wybór stopów o obniżonej temperaturze pracy spełniających wymagania procesu SMT jest ograniczony. Charakteryzujące się niską temperaturą topnienia stopy zawierające ind oraz bizmut oczywistym wyborem, jednakże ze względu na niższy koszt i wyższą dostępność to stop Sn-Bi stał się bardziej popularny. Po przejściu przemysłu elektronicznego na lutowanie bezołowiowe, uznano stop Sn-58Bi za możliwy zamiennik dla eutektycznego Sn-Pb. Jednak ze względu na swoją niższą plastyczność i słabe właściwości termomechaniczne, Sn-58Bi nigdy nie zyskał szerokiej popularności i jest używany tylko w ograniczonych aplikacjach, nie wymagających dużej ilości cykli termicznych ani odporności mechanicznej na szok upadkowy. Jednak rozpowszechnienie się w ostatnich latach wieloetapowych procesów montażowych, znaczny wzrost wykorzystania komponentów wrażliwych na temperaturę i konieczność stosowania tańszych podłoży wiąże się z dodatkowymi wyzwaniami, a lutowia niskotemperaturowe znów są w centrum uwagi. 

Ponadto, postępująca miniaturyzacja przenośnej elektroniki konsumenckiej wymaga często stosowania coraz cieńszych komponentów FCBGA (Flip Chip Ball Grid Arrays). Przeprowadzane ostatnio analizy wskazują, iż montaż tych ultra cienkich obudów za pomocą standardowych stopów bezołowiowych (takich jak Sn-3Ag-0,5Cu z temperaturą topnienia na poziomie 221^oC), powoduje wypaczanie się obudowy oraz/lub samego PCB [1-3]. Stanowi to poważne ograniczenie korzystania z najnowszej generacji ultra cienkich mikroprocesorów. Stosowanie lutów niskotemperaturowych znacznie zmniejszają ryzyko wystąpienia opisanych odkształceń, jednak lutowie Sn-Bi nie dorównuje odporności na wstrząsy, jaką posiadają stopy Sn-Ag-Cu [4-5]. Poza przezwyciężeniem opisanych trudności technicznych, znalezienie odpowiednich stopów niskotemperaturowych, mogących zastąpić stopy Sn-3Ag-0,5Cu oznaczałoby znaczne oszczędności kosztów, wynikające z obniżonych kosztów energii i istotnej redukcji emisji dwutlenku węgla.

We wcześniejszych pracach [6-8] analizowano, w jaki sposób stosowanie domieszek do eutektycznych stopów Sn-Bi powoduje znaczącą poprawę ich właściwości termomechanicznych. Obecnie analizie poddano w jaki sposób nieeutektyczny lut Sn-Bi z dodatkami 2% wagi (określany dalej jako X46) umożliwia obniżenie szczytowej temperatury rozpływu do 190oC, skutkując znacznie mniejszą liczbą defektów podczas lutowania rozpływowego. 

Obniżenie temperatury procesu

Połączenie Sn (43% wagi) i Bi (57% wagi) tworzy stop eutektyczny o temperaturze topnienia 138oC. Należy zauważyć, iż wraz ze spadkiem zawartości Bi, temperatura przejścia w stan ciekły rośnie (Tabela 1). Podczas procesu SMT zwykle stosowana jest temperatura o 25-30^oC wyższa od punktu przejścia lutowia w stan ciekły. Tak więc, przykładowo stop Sn-Bi z 35 % wagi Bi wymagałby profilu rozpływu sięgającego temperatury około 211^oC, natomiast zmniejszenie zawartości Bi do 40% wagi wymagałoby szczytowej temperatury rozpływu około 200^oC. Taka temperatura byłaby wyższa niż temperatura szczytowa, która mogłaby prowadzić do zmniejszenia ilości odkształceń i znacznych oszczędności kosztów, o których wspominano na wstępie artykułu. 

Tabela 1: Temperatura rozpływu pasty w zależności od zawartości bizmutu 

© Alpha

Osobnym zagadnieniem jest interdyfuzja między Sn-3Ag-0,5Cu i Sn-Bi w warunkach temperatury poniżej temperatury topnienia Sn-3Ag-0,5Cu. Stop o niższej temperaturze topnienia ułatwia wzajemną dyfuzję między tymi dwoma stopami i formowanie połączenia lutowanego. Ilustracją tego zjawiska jest Tabela 1, w której drugiej części pokazana jest frakcja płynna stopów Sn-Bi o różnej zawartości Bi. Przykładowo, stop o zawartości Bi do 55% wagi przechodzi całkowicie w fazę ciekłą w temperaturze 144oC. Redukcja Bi zmniejsza udział frakcji lutu przekształconej w ciecz w danej temperaturze: na przykład zmniejszenie zawartości Bi z 50% do 45% wagi powoduje spadek frakcji płynnej z 96% do 78%. 

Poprawa właściwości mechanicznych lutu z bizmutem

Dyskusji na temat możliwości szerokiego stosowania stopu Sn-Bi od zawsze obracała się wokół jego słabych właściwości mechanicznych, zwłaszcza nadmiernej kruchości i małej odporności na rozciąganie. Wzrost zawartości Bi wpływa negatywnie na odporność lutu na rozciąganie, podczas gdy UTS, współczynnik obrazujący kruchość pozostaje, na zbliżonym poziomie [7].  

Rysunek 1 przedstawia wpływ starzenia się Sn-45Bi w temperaturze pokojowej. Po 24 godzinach, mikrostruktury bizmutu (widoczne białe obszary na Rysunku 1) widocznie zwiększyły swoją objętość. Pomiary twardości wykazały, że Sn-Bi ma tendencję do twardnienia po starzeniu – parametr ten mierzony skalą Vickersa wzrósł po 24 godzinach z 6,6 do 8,5 Hv2,5. Jednak, samo zmniejszenie zawartości Bi nie poprawia odporności lutu na wstrząsy do tego samego poziomu co SAC305 - lut o udziale Bi zmniejszonym do jedynie 40% wagi wciąż jest o 60% słabszy od Sn-3Ag-0,5Cu.

Rysunek 1: Mikrostruktura stopu SnBi po upływie 24 godzin.

© Alpha

Opcją poprawy właściwości mechanicznych stopów Sn-Bi jest zastosowanie dodatków stopowych. Tabela 2 przedstawia efekt zastosowania dodatków, takich jak Ag i In na temperaturę topnienia stopu Sn-Bi. Dodatek Ag czy In do 1% wagi nie powoduje znacznej zmiany temperatury solidusu i likwidusu stopu. Jednak przy 3% wagi temperatura solidusu obniża się do 125oC, a więc już znacząco. 

Tabela 2. Zmiana temperatury topnienia przy zastosowaniu dodatków.

© Alpha

Pomimo ograniczonego wpływu na topnienie Sn-58Bi, dodatek Ag może jednak pozytywnie wpłynąć na jego właściwości mechaniczne. Tabela 3 przedstawia wpływ dodatków na właściwości mechaniczne: UTS (Ultimate Tensile Stress), próg plastyczności, odporność rozciąganie i współczynnik elastyczności. Zwiększenie dodatku Ag z 0.4% do 1% skutkuje większą wytrzymałością, ale w efekcie nierozpoznanego mechanizmu zmniejsza też odporność na rozciąganie. Dodatek 1% In ma minimalny wpływ na właściwości mechaniczne stopu, natomiast 3% In znacznie zmniejsza odporność na rozciąganie i elastyczność stopu. Zmniejszenie zawartości Bi do 38% i utrzymanie dodatku 1% Ag skutkuje wyższym UTS i współczynnikiem elastyczności, ale zmniejsza odporność na rozciąganie. 

Tabela 3: Zmiana właściwości mechanicznym po zastosowaniu dodatków stopowych.

©Alpha

Wnioski

- Aby temperatura szczytowa procesu lutowania rozpływowego spadła poniżej 200^oC, zawartość Bi powinna być równa lub wyższa niż 40%. 

- Luty zawierające Bi są mało odporne na stres mechaniczny, a samo zmniejszenie zawartości Bi nie podnosi ich odporności mechanicznej do poziomu zbliżonego do odporności SAC305.

- Wytrzymałość mechaniczną można poprawić za pomocą dodatku Ag do 1%, ale zabieg ten zmniejsza odporność na rozciąganie. Alternatywą jest dodatek In, która nie pogarsza odporności na wydłużanie. Jednak 3% dodatek In powoduje wzrost kruchości lutu, który zaczyna się topić już w 100oC. 

- Luty X46 i Sn-3Ag-0,5Cu łączą się już temperaturze 190^oC, tworząc lut posiadający zbliżoną lub nawet identyczną do Sn-3Ag-0.5Cu odporność mechaniczną na wstrząs. 

- Jednorodne połączenia lutownicze nieeutektycznego Sn-Bi + 2% dodatków (stop X46) ma identyczną odporność na wstrząsy jak Sn-3Ag-0,5Cu.

Źródło: LOW TEMPERATURE SOLDERING USING SN-BI ALLOYS, Morgana Ribas, Ph.D., Anil Kumar, Divya Kosuri, Raghu R. Rangaraju, Pritha Choudhury, Ph.D.,Suresh Telu, Ph.D., Siuli Sarkar, Ph.D., Alpha Assembly Solutions India R&D Centre

Pełen tekst artykułu dostępny po kliknięciu linku. 

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Alpha Assembly Solutions Wpółpraca przy opracowaniu polskiej wersji LENZ

Przypisy: 

[1] Aspandiar, R. et al., “Investigation of Low Temperature Solders to Reduce Reflow Temperature, Improve SMT Yields and Realize Energy Savings”. Proceedings of the2015 APEX Conference, February 2015.

[2] Chen, O. H. et al., “Comparison of the Mechanical Shock/Drop Reliability of Flip Chip BGA (FCBGA) Solder Joints Formed by Soldering with Low Temperature BiSn-Based Resin Reinforced Solder Pastes”. Proceedings of the International Conference on Soldering and Reliability, 2015.

[3] Chen, O. H. et al., “Soldering SAC Solder Balls BGAs with BiSnAg and Resin Reinforced BiSn-Based Solder Pastes”. Proceedings of SMTA International, September 2015.

[4] Chen, O. H. et al., “Mechanical Shock and Drop Reliability Evaluation of the BGA Solder Joint Stack-Ups Formed by Reflow Soldering SAC Solder Balls BGAs with BiSnAg and Resin Reinforced BiSn-Based Solder Pastes”. Proceedings of SMTA International, September 2015,Rosemont-USA, pp.215-222.

[5] Mokler, S. et al., “The Application of Bi-based Solders for Low Temperature Reflow to Reduce Cost while Improving SMT Yields in Client Computing Systems”. Proceedings of SMTA International, September 2016, Rosemont-USA, pp.318-326.

[6] Ribas, M. et al., “Low Temperature Alloy Development for Electronics Assembly”. IPC APEX, San Diego – USA, February 2013.

[7] Ribas, M. et al., “Development of Low-Temperature Drop Shock Resistant Solder Alloys for Handheld Devices”. Proceedings of IEEE 15th Electronics Packaging Technology Conference, Singapore, December 2013, pp.53- 57.

[8] Ribas, M. et al., "Thermal and Mechanical Reliability of Low-Temperature Solder Alloys for Handheld Devices". Proceedings of IEEE 16th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapore, December 2014, pp.366-371.