МЕХАНІЗМ УТВОРЕННЯ «ВУСІВ» ОЛОВА І МЕТОДИ ЇХ УСУНЕННЯ

13.03.2023 |

Розглянуто причини утворення «вусів» на шарах олова, нанесеного на мідну підкладку та методи їх усунення

Чисте олово та сплави, що містять олово, тепер використовуються як альтернатива сплавам олова та свинцю в більшості електронних компонентів. Однак відомо, що ці альтернативи схильні до утворення так званих олов’яних «вусів» («wiskers»), які можуть спричинити коротке замикання в електронних схемах.

Під час лудіння мідної підкладки (або мідного сплаву) основною причиною утворення олов’яних вусів є напруга стиску. Напруги в основному викликані нерівномірним зростанням інтерметалічного шару міді та олова (так званої інтерметалічної сполуки, IMC) навіть за стандартних умов навколишнього середовища.

Відомо, що олов’яні вуса легко утворюються на гальванічно нанесених олов’яних осадах на міді і не спостерігаються на гальванічно нанесених олов’яно-свинцевих осадах. Тут слід зазначити, що існують значні відмінності в металевій структурі олов’яного осаду та сплаву олово-свинець, що безпосередньо впливає на формування олов’яних вусів.

Олов’яний осад із модифікованою кристалічною структурою (подібний до олов’яно-свинцевих осадів) здатний запобігти утворенню вусів шляхом розсіювання та зміщення напруг, які викликають утворення вусів.

Малюнок 1. Схема утворення олов’яних вусів.

Як показано на малюнку 1, напруги, спрямовані вздовж внутрішніх меж великої стовпчастої структури осаду олова, відповідають за утворення олов’яних вусів. Напруга може бути внутрішньою та зовнішньою. Основним джерелом внутрішньої напруги є нерівномірне зростання шару IMC з часом за стандартних умов навколишнього середовища (30 °C, 60% RH протягом 4000 годин). Іншим фактором, відповідальним за формування внутрішніх напруг, є вплив підвищених температур і високої вологості (55 °C, 85% RH, 4000 годин), що сприяє окисленню та/або корозії. Внутрішні напруги також можуть бути спричинені термічними циклами (від -55 до 85 °C, 1500 циклів) через невідповідність коефіцієнтів теплового розширення різних матеріалів.

Відомо також, що зовнішня напруга також ініціює ріст вусів, прикладом чого є напруга, спричинена затискачами (так званий press-fit).

Модифікація поверхні міді

Автори статті «The Elimination of Whiskers from Electroplated Tin» досліджували вплив шорсткості поверхні IMC і модифікації кристалічної структури олов’яного відкладення від великозернистих стовпчиків до рівноосьової дрібнозернистої структури на частоту олов’яних вусів. Вони досліджували перший фактор, збільшуючи площу поверхні мідної підкладки хімічними агентами, які збільшували її шорсткість. Однак внутрішню структуру шару можна змінити за допомогою спеціальних хімічних добавок до гальванічної ванни.

Було проведено дослідження морфології мідної підкладки до нанесення покриття. Кілька підкладок із різною шорсткістю оцінювали на утворення вусів після гальванічного нанесення шару олова, а шорсткість контролювали за допомогою процедур хімічного травлення. Середня шорсткість «Ra» становила від 0,13 до 0,47 мкм. Як показано на мал. 2, шорсткість 0,47 мкм Ra має набагато більшу поверхню порівняно з 0,13 мкм Ra.

Малюнок 2: Мідна підкладка із різною шорсткістю.

Дані чітко показують, що існує чітка кореляція між шорсткістю поверхні та схильністю до утворення олов’яних вусів. Шорсткіша поверхня призводить до меншої довжини вусів, а також меншої щільності на мм2. Більш шорсткіша поверхня з Ra 0,47 мкм створювала тоншу, одноріднішу IMC порівняно з більш гладкою з Ra 0,13 мкм, яка демонструвала локально збільшену товщину IMC. Ймовірним поясненням меншої схильності до утворення вусів на шорсткіших поверхнях є те, що IMC має набагато більшу площу поверхні (Ra 0,47 мкм) порівняно з меншою гладкою поверхнею (Ra 0,13 мкм). Звідси випливає, що напруги, що є результатом утворення IMC, є набагато меншими та далі розсіюються в міру збільшення шорсткості поверхні підкладки з міді.

Модифікація кристалічної структури осаду олова

Уважне вивчення кристалічної структури олова та олов’яно-свинцевого сплаву показує явну різницю в металевій структурі двох осадів. Олов’яно-свинцевий осад, де не спостерігалося вусів, має рівновісне, відносно дрібнозернисте покриття. Чисте олово, навпаки, утворює більші стовпчасті кристали. На мал. 3 показано різницю в кристалічній структурі між чистим оловом і олов’яним сплавом (10% маси Pb). Вважається, що якби кристалічну структуру олов’яного осаду можна було модифікувати до форми, схожої на кристалічну структуру сплаву олова і свинцю, напруги розсіялися б, і вуса перестали б утворюватися.

Малюнок 3: Внутрішня кристалічна структура шару олова та олов’яно-свинцевого сплаву.

За допомогою застосування спеціальних гальванічних добавок до ванни утворювалися три типи олов’яних осадів: тип «А» — стандартний шар олова, який характеризується великими стовпчастими кристалами, тип «B» був модифікований для отримання меншої стовпчастої структури зерна. Тип «C» був додатково модифікований для отримання ще більш дрібного зерна, яке має стовпчасту та рівновісну структуру, імітуючи структуру сплаву олова та свинцю.

В останньому випадку був отриманий рівномірно розподілений, відносно тонкий шар IMC, що створює мінімальні напруги. Рівновісна кристалічна структура розсіює напругу, що призводить до відсутності тенденції до вусів. У випадку дрібнозернистих рівновісних осадів олова автори дослідження не спостерігали вусів протягом 22 000 годин.

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