Testy odporności na ścinanie połączeń lutowniczych zawierających bizmut

Wstęp

Ponieważ tradycyjny eutektyczny stop lutowniczy SnPb został nieomal całkowicie zakazany, przemysł elektroniczny prawie całkowicie przeszedł na bezołowiowe stopy lutownicze. Najbardziej rozpowszechniony SAC305 ma jednak wysoką temperaturę topnienia i wymaga wysokiej szczytowej temperatury procesu rozpływu 245°C, która jest prawie o 30°C wyższa niż tradycyjny profil rozpływowy dla past SnPb. Następstwem wyższych temperatur procesu są częstsze defekty występujące w procesie reflow. Aby temu zaradzić, producenci od lat testują przydatność stopów o niższej temperaturze rozpływu z domieszką bizmutu. Naukowcy z Center for Electronics Manufacturing and Assembly (CEMA) części Rochester Institute of Technology Rochester, przeprowadzili szczegółowe analizy niskotemperaturowej, bezołowiowej pasty lutowniczej, wykorzystującej domieszki Bi.

Test

Analizie poddano trzy niskotemperaturowe bezołowiowe pasty lutownicze Sn-58Bi, Sn-57Bi-1Ag i Sn-40Bi-Cu-Ni o temperaturach topnienia około 138°C (czyli 45°C poniżej eutektycznego SnPb i 79°C poniżej SAC), naniesione na PCB z wykończeniem Cu-OSP. Pasty łączyły się z kulkami lutowniczymi wytworzonymi na bazie SAC305, Sn99CN i Sn100C. Obliczono, że zakres stężeń Bi dla mieszanin otrzymanych po procesie lutowania rozpływowego mieści się w zakresie od 2% do 4% wagi zmieszanego lutowia. Lutowanie przeprowadzono przy zastosowaniu dwóch różnych profili reflow:

a) tradycyjny profil SnPb z temperaturą szczytową 217°C

b) niskotemperaturowy profil SnBi z temperaturą szczytową 177°C (zalecany przez producenta pasty). 

Po procesie montażu, mieszane połączenia lutowane poddano testom, badając ich odporność na ścinanie z prędkością 27.5 mil/s. Po teście ścinania, wykonano też przekroje poprzeczne w celu oceny możliwych zmian mikrostrukturalnych w temperaturze pokojowej i po symulowanym procesie starzenia (warunki starzenia izotermicznego zastosowane w badaniach to 125°C przez 200 godzin, co naśladuje 21 lat przechowywania w warunkach polowych w temperaturze 25°C). 

Wyniki testu

Wykonane testy sugerują, że profil rozpływu w wysokiej temperaturze (temperatura szczytowa 217°C) miał lepszą wytrzymałość mechaniczną niż profil rozpływu w niskiej temperaturze (temperatura szczytowa 177°C). 

W procesie lutowania rozpływowego o niskiej temperaturze szczytowej (177°C) jest ona niewystarczająca do pełnego stopienia i rozpuszczenia kulek wykonanych z innych stopów - zastosowane w badaniu kulki były oparte o stopy mające zakres temperatur topnienia od 217°C do 227°C. Niecałkowite wymieszanie obu rodzajów stopów powoduje wysokie stężenie bizmutu w określonych obszarach połączenia lutowniczego, co prowadzi jego istotnego osłabienia. Natomiast przy zastosowaniu w procesie profilu wysokotemperaturowego (szczytowa temperatura rozpływu 217°C), kulki bezołowiowe są w stanie lepiej stopić się i zmieszać z pastą SnBi. Wyjątkiem jest Sn100C w połączeniu ze stopem Sn/57Bi/1Ag, gdzie następuje jedynie częściowe rozpuszczenie między pastą a kulką, nawet w przypadku wysokiej temperatury rozpływu.

Na podstawie opisanych badań obserwuje się konsekwentną poprawę procesu montażu w wysokiej temperaturze w przypadku pasty lutowniczej SAC305. Chociaż w przypadku SN99Cn i SN100C również zaobserwowano poprawę, odchylenie standardowe wskazuje na brak powtarzalności wyników i wydaje się, że efekt wyższych temperatur profilu jest ograniczony. Poniższa tabela pokazuje wyniki testu dla różnych kombinacji łączonych stopów, dwóch różnych profili i po uwzględnieniu procesów starzenia.

Żródło: 'A STUDY ON PROCESS, STRENGTH AND MICROSTRUCTURE ANALYSIS OF LOW TEMPERATURE SnBi CONTAINING SOLDER PASTES MIXED WITH LEAD-FREE SOLDER BALLS'

Autorzy: Sakthi Cibi Kannammal Palaniappan, Martin.K.Anselm, Ph.D., Center for Electronics Manufacturing and Assembly (CEMA), Rochester Institute of Technology Rochester, NY, USA

Cały tekst dostępny tutaj

Ilustracja tytułowa: KIC