Добавки покращують властивості старіння паяних з’єднань

02.02.2024 |

Провівши суворі випробування на старіння, дослідники дійшли висновку, що добавки вісмуту та інших металів покращують властивості паяних з’єднань у порівнянні з SAC305.

Автори онлайн-статті «Reliability of New SAC-Bi Solder Alloys in Thermal Cycling with Aging» («Надійність нових сплавів припою SAC-Bi у термоциклуванні зі старінням») задалися питанням про довговічність припоїв, створених з використанням паяльної пасти з мікродобавками, зокрема з додаванням вісмуту. Тестова плата була спаяна з використанням трьох різних популярний вісмутових паст, а результати порівняли з SAC305 (табл. 1).

Таблиця 1. Склад паяльної пасти

Паяльна паста Склад
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

Крім того, в експерименті використовувалися плати з трьома різними обробками поверхні: ENIG, ImAg і OSP. З детальним перебігом та правилами експерименту можна ознайомитися у статті «Reliability of New SAC-Bi Solder Alloys in Thermal Cycling with Aging»

Після монтажу всі тестові плати піддавались термічному старінню при температурі 125°C протягом дванадцяти місяців. Температуру 125°C було обрано для ефективного старіння плати. Після старіння плати були піддані 5000 термічним циклам (діапазон температур від -40°C до +125°C, час підйому і спаду – по 50 хвилин, час перебування при максимальних температурах – 15 хвилин).

Після таких, за загальним визнанням, досить рішучих заходів, майже всі більші BGA (15×15 мм, CABGA 208) вийшли з ладу, тоді як серед інших менших компонентів вийшли з ладу лише деякі (CABGA 36, MLF 20 і SMR). Тому в статті представлені лише дані щодо компонентів CABGA 208.

  • У випадку обробки поверхні ENIG, порівняно з SAC305, додавання вісмуту покращило властивості з’єднання проти старіння. Після видалення зі складу пасти Ag та додавання Bi спостерігалося невелике покращення. Завдяки додаванню Ag і збільшенню вмісту Bi трохи вище 3%, довговічність втоми явно покращилася. Однак після додавання додаткових інгредієнтів, таких як Sb і Ni (сплав Innolot), довговічність створеного з’єднання була найкращою.
  • Експеримент із готовими платами ImAg дав дуже схожі результати. Однак було помітно, що різниця в термінах служби між Innolot і SAC-Bi була не такою великою, як у випадку з покриттям ENIG.
  • Як і в двох попередніх випадках, при використанні фінішного покриття OSP, популярного особливо в побутовій електроніці, також існує помітна різниця в терміні служби між SAC305 та іншими пастами, що містять мікродомішки. Цікаво, однак, що у випадку OSP сплав SAC-Bi виявився кращим, ніж Innolot.

Підводячи підсумок, можна зазначити наступне. У всіх трьох випадках – ENIG, ImAg і OSP – було помітно, що сплави з домішками показали кращі результати, ніж SAC305. Після додавання Bi покращилася стійкість сплавів до деформацій повільної повзучості внаслідок зміцнювального ефекту відкладень Bi. Також виявлено, що використання Bi підвищує надійність з’єднання за рахунок зменшення товщини крихкого інтерметалічного шару та уповільнення його зростання. У свою чергу, Sb сприяє надійності, зміцнюючи частинки. Також було виявлено, що оскільки Sb краще взаємодіє з Sn, утворюючи сполуку Sn-Sb і таким чином зменшуючи тенденцію до утворення інтерметалічного шару Cu-Sn.

Для всіх цих мікродомішок їх позитивний вплив на надійність можна спостерігати лише при додаванні в певній пропорції. Інакше виявилося, що їх наявність негативно впливає на втомну довговічність паяних з’єднань.

Висновки

За словами авторів експерименту, мікросплавні добавки покращують стійкість паяних з’єднань порівняно з SAC305. З точки зору обробки поверхні, ENIG виявляється кращим, ніж ImAg і OSP. Покриття ENIG має шар Ni, який діє як бар’єр для дифузії Cu з контактних площадок у припій, тим самим зменшуючи зростання інтерметалічного шару. У деяких випадках поєднання полірувального покриття та покриття OSP дало кращі результати, ніж покриття ImAg.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl