Дослідження надійності альтернативних безсвинцевих паст

18.01.2024 |

У статті представлено випробування на термічну надійність шести альтернативних сплавів SAC305 і випробування проводила не хто інший, як сама Flextronics International.

Sn3.0Ag0.5Cu (SAC305) наразі є найпопулярнішим майже евтектичним безсвинцевим сплавом, який використовується у виробничих процесах. Однак за останні кілька років ціна на срібло різко зросла, створюючи попит на альтернативні сплави з меншим вмістом срібла.

У результаті значно збільшилася кількість альтернативних безсвинцевих припоїв із низьким вмістом срібла або навіть без нього. Попередні дослідження показали, що багато альтернативних паяльних паст із низьким вмістом срібла мали хороші характеристики друку та хороші властивості змочування порівняно з SAC305. Проте не вистачало інформації про надійність паяних з’єднань для альтернативних сплавів з низьким вмістом срібла – команда вчених з Flextronics International провела та представила у великій статті спільне дослідження надійності. Шість різних паст, що не містять свинцю, були протестовані за допомогою випробування на термічний цикл (3000 циклів, від 0 до 100 °C), і, звичайно, SAC305 використовувався як основа для порівняння. Набір протестованих сплавів включав паяльні пасти з низьким вмістом срібла та низькотемпературні паяльні пасти SnBiAg –детальна інформація про конкретні сплави наведена у таблиці 1.

Таблиця 1. Матеріали паяльних паст і склади їх сплавів.

Матеріал Склад сплаву Температура ліквідуса, °C
1 Матеріал A Sn3.0Ag0.5Cu 217
2 Матеріал B Sn0.3Ag0.7Cu 227
3 Матеріал C Sn0.3Ag0.7Cu + X (Bi, Sb, і т.д.) 228
4 Матеріал D SnCuBi +Co 228
5 Матеріал E SnCuNi 227
6 Матеріал F SnBiAg 138

Весь тест був детально описаний вченими Flex у статті «Reliability Study of Low Silver Alloy Solder Pastes» © Flextronics International. Autorzy: Jennifer Nguyen, David Geiger and Murad Kurwa

Висновки

По-перше, дослідники виявили, що немає суттєвої різниці в товщині інтерметалічного шару з’єднань, утворених за допомогою SAC305 та іншими альтернативними безсвинцевими паяльними пастами. Загалом товщина інтерметалічного шару цих матеріалів дещо збільшилася після термоциклічних випробувань, але зміна була незначною. Товщина інтерметалічного шару з’єднань, утворених за допомогою SnBiAg після пайки оплавленням, зазвичай була меншою, ніж у високотемпературних безсвинцевих сплавів. Інтерметалічний шар паяних з’єднань SnBiAg збільшився під час термоциклічних випробувань до товщини, подібної до товщини інших безсвинцевих сплавів. Однак ані товщина, ані склад інтерметалічного шару не були визначені групою розробників тесту, щоб вплинути на надійність з’єднання під час термоциклічних випробувань.

Однак надійність альтернативних паяльних паст, перевірених за допомогою термічних випробувань, змінювалася залежно від типу корпусу та розміру компонента. У цьому дослідженні ця змінна вплинула на термічну надійність паяного з’єднання більше, ніж сам склад сплаву. Резистори 2512 першими вийшли з ладу в порівнянні з іншими компонентами, які проходили випробування. Після 3000 термічних циклів (при температурі від 0°C до 100°C) більшість із 2512 резисторів виявилися повністю непрацездатними та мали численні тріщини в пайці. Однак у випадку невеликих компонентів, таких як компоненти 0603, 0402, 0201, після тестування не спостерігалося збоїв.

Серйозні тріщини та поломки також спостерігалися для компонентів BGA196, BGA228, BGA97 і QFN88 після термоциклічного випробування (мал. 1). У випадку компонентів BGA1156, BGA64, QFN32, QFP208 і QFP100 спостерігалися незначні тріщини, які не спричинили поломки.

Малюнок 1. Розтріскування паяного з’єднання QFN88, змонтованого з використанням паяльної пасти SnBiAg.

Підводячи підсумок, автори стверджують, що паяні з’єднання, зроблені з SAC305, працюють краще, ніж паяльні пасти з низьким вмістом Ag. Як не дивно, низькотемпературне паяне з’єднання SnBiAg показало дуже хороші результати під час термоциклічного випробування, але лише тоді, коли з’єднання утворювалося лише з цього сплаву (тобто був присутній на кульках і на контактних площадках). Поєднавши SAC305 і SnBiAg в одному з’єднувачі, команда Flex виявила більше дефектів і збоїв. Підводячи підсумок своєї роботи, команда приходить до висновку, що подальші дослідження надійності повинні бути проведені на альтернативних безсвинцевих пастах.

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