Dodatek miedzi polepsza mechaniczne właściwości stopu

W przypadku wymagających aplikacji, np. elektroniki samochodowej, wymagany jest stop lutowniczy o wysokiej odporności na zmęczenie cieplne, co sprawia, że klasyczny bezołowiowy stop lutowniczy Sn-Ag-Cu często nie nadaje się do tego typu zastosowań. Ze względu na znaczną poprawę odporności na zmęczenie cieplne w porównaniu do SAC, często stosuje się stop Sn-Ag-Bi-In (SABI), który ma nie tylko dobre właściwości zmęczenia cieplnego, ale dzięki odpowiedniemu dodatkowi indu, również doskonałą plastyczność i wytrzymałość na rozciąganie. Trzeba jednak zauważyć, że o ile SABI sprawował się bardzo dobrze na PCB wykończonych Cu-OSP, analizy wskazywały na o wiele mniejszą niezawodność połączenia w przypadku PCB z wykończeniem ENIG. W efekcie przeprowadzono liczne eksperymenty, w celu znalezienia odpowiedniego składu, poprawiającego wydajność lutowania z wymienionym wykończeniem. Autorzy artykułu przygotowali stopy lutownicze Sn-Ag-Bi-In z dodatkiem Cu i bez takiego dodatku, a następnie przeprowadzili testy zmęczenia cieplnego oraz odporności na upadek.

Tabela: Stopy stosowane podczas eksperymentu.

Źródło: Improving Thermal Cycle and Mechanical Drop Impact Resistance of a Lead-free Tin-Silver-Bismuth-Indium Solder Alloy with Minor Doping of Copper Additive © Koki Company Ltd

Własności mechaniczne

Rysunek 1 przedstawia krzywe naprężenia/odkształcenia, uzyskane w teście rozciągliwości. SA2 (SABI) i SA3 (SABI + Cu) wykazują prawie 3 razy większą wytrzymałość na rozciąganie niż SA1, czyli w tym przypadku zwykły stop lutowniczy typu Sn-Ag-Cu. Różnica składu SA2 i SA3 wynosi 0,8% Cu, tak więc skład chemiczny tych stopów nie różnił się od siebie istotnie. SA2 i SA3 były mniej podatne na wyciąganie niż SA1, co sugeruje, że obecność bizmutu w strukturze lutu zmniejsza jego plastyczność.

Po upływie czasu, wszystkie starzone próbki stopów wykazywały zmniejszoną wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu ze świeżo utworzonymi próbkami. Jednakże, chociaż siła rozciągania SA1 zmniejszyła się prawie o połowę, SA2 i SA3 (tj. stopy zawierające ind i bizmut), wykazywały raczej nieznaczną utratę siły rozciągania po starzeniu. Można więc stwierdzić, że In i Bi tworzą stałe wiązanie w osnowie cyny, co wzmacnia stop.

Rysunek 1. Krzywe naprężenia i odkształcenia (stopy SA1, SA2, SA3: świeżo utworzone i postarzane).

Odporność na cykle termiczne

Wyniki testu wytrzymałości na ścinanie dla chipów 1206 po każdych 500 cyklach (łącznie próbki poddano 3.000 cyklom termicznym) od -40°C do + 125°C przedstawiono na Rysunku 2a (wykończenie Cu-OSP) i 2b (ENIG). Utrata wytrzymałości SA2 i SA3 była mniej więcej taka sama w przypadku ENIG. Ponadto, oba stopy wykazywały mniejszy stopień utraty wytrzymałości wraz ze wzrostem liczby cykli. Co więcej, SA2 wykazało większą utratę wytrzymałości w przypadku ENIG niż w przypadku Cu-OSP, a dodatkowo różnica między SA2 i SA3 była większa w przypadku ENIG niż Cu-OSP.

Rysunek 2.  Zmiany wytrzymałości na ścinanie po cyklach termicznych dla stopów SA1, SA2, SA3 na PCB wykończonych Cu-OSP (lewa strona) i ENIG (prawa strona).

Test upadkowy

Test odporności na upadek przeprowadzono na próbkach ze stopami lutowniczymi SA2 i SA3 na PCB wykończonych ENIG i starzonych w wysokiej temperaturze. Przygotowano pięć próbek i upuszczano je wielokrotnie, aż do wykrycia awarii obwodu. Liczbę upadków do awarii obwodu pokazano na Rysunku 3. W eksperymencie SA3 wykazał znacznie lepszą odporność na wstrząsy mechaniczne niż stop lutowniczy SA2.

Analiza mikrostrukturalna

Autorzy tekstu przygotowali też analizę SEM przekrojów dwóch testowanych stopów lutowniczych, SA2 i SA3. Badaniu poddano próbki na PCB wykończonych ENiG po 1.500 cyklach termicznych od -40°C do +125°C. Porównanie między SA2 i SA3 wykazało, że warstwa związku międzymetalicznego na granicy faz była grubsza dla SA2 i składała się głównie z Sn-In-Cu, podczas gdy w przypadku SA3 składała się z Sn-Cu-Ni. Dodanie niewielkiej ilości Cu do stopu lutowniczego hamuje wzrost warstwy międzymetalicznej, co przyczynia się do poprawy niezawodności połączeń podczas cykli termicznych dla SA3 w porównaniu z SA2.

Rysunek 4 przedstawia przekroje połączeń lutowanych, które wykazały pęknięcia po teście upadkowym. W przypadku każdej z próbek pęknięcie złącza rozpoczęło się od jednego z czterech rogów, ponieważ to właśnie one narażone są na największe naprężenia. Głębsza analiza pękniętego złącza lutowanego na BGA ujawniła, że lokalizacje pęknięcia są różne w przypadku SA2 i SA3. W przypadku SA2 pęknięcie wystąpiło między kulką lutowniczą a płytką drukowaną, a w przypadku SA3 pęknięcie wystąpiło między kulką lutowniczą a komponentem. Ponieważ pady na PCB są większe niż na komponencie, bardziej spodziewane jest pęknięcie po stronie komponentu, jednak we wszystkich próbkach SA2 pęknięcia wystąpiły między kulką lutowniczą a płytką drukowaną.

Rysunek 4. Przekroje połączeń lutowanych z widocznymi pęknięciami po teście upadkowym.

W teście upuszczenia płytki występują gwałtowne obciążenia i spodziewano się, że najbardziej narażonym na pękanie miejscem będzie styk, w którym spotykają się materiały o różnych wartościach twardości. Wynika to z dużej prędkości odkształcenia, powodującego pękanie na styku materiałów o różnej twardości, czego przykładem jest pęknięcie kulki cynowo-bizmutowej nie w samej jej masie, ale na styku z podłożem. W opisywanym teście płytki drukowane zostały przygotowane poprzez nadrukowanie pasty lutowniczej SA2 i SA3 oraz zamontowanie BGA z kulkami lutowniczymi Sn-Ag-Cu. Ponieważ ich temperatura topnienia jest niższa niż SAC305, podczas lutowania rozpływowego pasty SA2 i SA3 osiągały punkt rozpływu jako pierwsze, tworząc połączenia między kulką BGA a PCB. W efekcie, skład połączenia lutowniczego między kulką a substratem składał się głównie z SA2 i SA3, podczas gdy skład połączenia między kulką lutowniczą a komponentem składał się głównie z SAC305. Jeśli chodzi o wyraźnie mniejszą niezawodność w teście upadku połączenia płytki i kulki, przyczyną mogło być gromadzenie się fosforu. Obecność fosforu zwiększa kruchość metalu, tak więc gdy fosfor koncentruje się na granicy faz, pogarsza się odporność na wstrząsy. Warstwa fosforu w SA2 jest grubsza niż w SA3.

Wnioski

W teście zostały przetestowane pod kątem oceny mechanicznej i odporności na cykle termiczne trzy różne rodzaje bezołowiowych stopów lutowniczych: SA1 (Sn-Ag-Cu), SA2 (Sn-Ag-Bi-In) oraz SA3 (Sn-Ag-Bi-In-Cu). Według omawianego artykułu, uzyskane wyniki należy interpretować w następujący sposób:

- Pod względem wytrzymałości złącza lutowniczego i jego rezystancji elektrycznej, po przeprowadzeniu testu cyklu termicznego, oceniono że SA2 oraz SA3 mają podobne właściwości oraz przewyższają parametrami SA1, jeśli montaż odbywał się na PCB z wykończeniem Cu-OSP. Natomiast jeśli płytka była wykończona ENIG, oceniono że właściwości SA1 oraz SA2 są sobie równe, natomiast SA3 przewyższa parametrami dwa pozostałe stopy.

- W teście odporności na upadek na PCB z wykończeniem ENIG, SA3 miał wyższą mechaniczną odporność na upadek niż SA2.

- Dzięki dodatkowi Cu w SA3, również w przypadku ENIG, można zahamować wzrost warstwy międzymetalicznej, jak również zahamować stężenie fosforu w warstwie niklu po stronie PCB. Oba te czynniki mają pozytywny wpływ na kruchość złącza.

Żródło: Źródło: Improving Thermal Cycle and Mechanical Drop Impact Resistance of a Lead-free Tin-Silver-Bismuth-Indium Solder Alloy with Minor Doping of Copper Additive © Koki Company Ltd

Autorzy: Takehiro Wada, Seiji Tsuchiya, Shantanu Joshi, Roberto Garcia, Kimiaki Mori, Takeshi Shirai

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!