Додавання міді покращує механічні властивості сплаву

В статті розглянуто вплив додавання міді на параметри низькотемпературних сплавів SABI (Sn-Ag-Bi-In).

Для вимогливих застосувань, таких як автомобільна електроніка, потрібен припій із високою стійкістю до термічної втоми, що робить класичний безсвинцевий припій Sn-Ag-Cu часто непридатним для такого типу застосування. Припій Sn-Ag-Bi-In (SABI) вважається високонадійним припоєм завдяки значному поліпшенню опору термічній втомі порівняно зі стандартним сплавом Sn-Ag-Cu. Сплав має не тільки хороші властивості термічної втоми, але також має чудову пластичність і міцність на розтяг завдяки відповідному додаванню індію. Однак слід зазначити, що хоча сплав SABI показав дуже хороші результати на друкованих платах, оброблених Cu-OSP, аналізи показали набагато нижчу надійність з’єднання для друкованих плат, оброблених ENIG. У результаті було проведено численні експерименти, щоб знайти відповідну композицію для покращення продуктивності паяння із зазначеним покриттям. Було підготовлено припій Sn-Ag-Bi-In з додаванням і без додавання Cu, а потім проведено випробування на термічну втому та на стійкість до падінь.

Таблиця: Сплави, використані в експерименті.

 Механічні властивості

На мал. 1 показано криві напруга/деформація, отримані під час випробування на розтяг. SA2 (SABI) і SA3 (SABI + Cu) демонструють майже в 3 рази вищу міцність на розрив, ніж SA1, який у цьому випадку є звичайним твердим припоєм Sn-Ag-Cu. Різниця в складі SA2 і SA3 становить 0,8% Cu, тому хімічний склад цих сплавів істотно не відрізнявся. SA2 і SA3 були менш сприйнятливі до витягування, ніж SA1, що свідчить про те, що присутність вісмуту в структурі припою знижує його пластичність.

Згодом усі зістарені зразки сплавів продемонстрували знижену міцність на розрив порівняно зі свіжосформованими зразками. Однак, незважаючи на те, що міцність на розрив SA1 зменшилася майже вдвічі, SA2 і SA3 (тобто сплави, що містять індій і вісмут) продемонстрували досить незначну втрату міцності на розрив після старіння. Таким чином, можна зробити висновок, що In і Bi утворюють постійний зв’язок в олов’яній матриці, який зміцнює сплав.

Малюнок 1. Криві напруження-деформації (сплави SA1, SA2, SA3: свіжосформовані та зістарені).

Стійкість до термоциклування

Результати випробувань на міцність на зсув для резисторів 1206 (3216) після кожних 500 циклів (в цілому зразки піддавались 3000 термічним циклам) при температурах від -40°C до +125°C показані на мал. 2a (обробка Cu-OSP) і 2b (обробка ENIG). Втрата міцності SA2 і SA3 була приблизно однаковою для ENIG. Крім того, обидва сплави продемонстрували менший ступінь втрати міцності зі збільшенням кількості циклів. Також сплав SA2 продемонстрував більшу втрату міцності з ENIG, ніж з Cu-OSP, і крім того, різниця між SA2 і SA3 була більшою для ENIG, ніж для Cu-OSP.

Малюнок 2. Зміни міцності на зсув після термоциклування для сплавів SA1, SA2, SA3 на друкованих платах, оброблених Cu-OSP (а) та ENIG (b).

Випробування на стійкість до падінь

Випробування на стійкість до падінь було проведено на зразках з припоями SA2 і SA3 на друкованих платах, оброблених ENIG і витриманих при високій температурі. Було підготовлено п’ять зразків, які неодноразово кидалися, доки не було виявлено збій у схемі. Кількість падінь до виходу з ладу схеми показано на мал. 3. В експерименті SA3 продемонстрував значно кращу стійкість до механічних ударів при падінні, ніж припій SA2.

Малюнок 3. Кількість падінь під час випробування на механічне падіння (сплави SA2 і SA3 після старіння на друкованих платах, оброблених ENIG).

Мікроструктурний аналіз

Також був проведений аналіз поперечних перерізів сплавів SA2 і SA3 за допомогою SEM-EDX. Було протестовано зразки оброблених ENiG друкованих плат після 1500 термічних циклів від -40°C до +125°C. Порівняння між SA2 і SA3 показало, що інтерметалічний шар на межі розділу був товщим для SA2 і складався в основному з Sn-In-Cu, тоді як для SA3 він складався з Sn-Cu-Ni. Додавання невеликої кількості Cu до твердого припою гальмує ріст інтерметалічного шару, що сприяє підвищенню надійності з’єднання під час термоциклування для SA3 порівняно з SA2.

На мал. 4 показані поперечні перерізи паяних з’єднань, які показали тріщини після випробування на падіння Кожен зразок свідчить про те, що руйнування з’єднання починалося з одного з чотирьох кутів, оскільки саме ці кути зазнають найбільшого навантаження. Більш глибокий аналіз тріснутого паяного з’єднання на BGA показав, що місця розташування тріщини різні для SA2 і SA3. У випадку SA2 тріщина виникла між кулькою припою та друкованою платою, а у випадку SA3 тріщина виникла між кулькою припою та компонентом. Оскільки контактні площадки на друкованій платі більші, ніж на компоненті, тріщина на стороні компонента є більш імовірною, однак у всіх зразках SA2 тріщини виникли між кулькою припою та друкованою платою.

Малюнок 4. Поперечні зрізи паяних з’єднань із видимими тріщинами після випробування на падіння.

Під час тестування плати на падіння до тестової друкованої плати було застосовано різкі навантаження, і очікувалося, що найбільш уразливим місцем, схильним до руйнування, буде поверхня, де стикаються матеріали з різними значеннями твердості. Це пов’язано з високою швидкістю деформації, що викликає розтріскування при контакті матеріалів різної твердості, прикладом чого є розтріскування олов’яно-вісмутової кульки не в самій масі, а при контакті з підкладкою.

У описаному випробуванні друковані плати були підготовлені шляхом друку паяльною пастою SA2 і SA3 та кріплення BGA кульками припою Sn-Ag-Cu. Оскільки їх температура плавлення нижча, ніж у SAC305, під час пайки оплавленням пасти SA2 і SA3 досягли точки оплавлення першими, створюючи з’єднання між кулькою BGA та друкованою платою. У результаті композиція паяного з’єднання між кулькою та підкладкою в основному складалася з SA2 і SA3, тоді як композиція з’єднання між кулькою припою та компонентом в основному складалася з SAC305.

Що стосується значно нижчої надійності під час випробування на падіння з’єднання плати та кульки, причиною могло бути накопичення фосфору. Наявність фосфору підвищує крихкість металу, тому, коли фосфор концентрується на межі розділу, ударостійкість погіршується. Шар фосфору в SA2 товщій, ніж у SA3.

Висновки

Під час випробування три різні типи безсвинцевих припоїв перевірялися на механічну оцінку та стійкість до термоциклування: SA1 (Sn-Ag-Cu), SA2 (Sn-Ag-Bi-In) і SA3 (Sn-Ag-Bi -In- Cu). Отримані результати слід трактувати наступним чином:

• З точки зору міцності паяного з’єднання та його електричного опору, після випробування на термічний цикл, сплави SA2 і SA3 були оцінені як такі, що мають схожі властивості та перевищують параметри SA1, якщо монтаж проводився на друкованій платі з покриттям Cu-OSP. Однак, якщо плата була оброблена покриттям ENIG, то властивості сплавів SA1 і SA2 рівні, тоді як SA3 перевищує параметри двох інших сплавів.
• У тесті на падіння на друкованій платі з покриттям ENIG сплав SA3 мав вищу механічну стійкість до падіння, ніж сплав SA2.
• Завдяки додаванню Cu в сплав SA3, також у випадку плати з покриттям ENIG, можна пригнічувати ріст інтерметалічного шару, а також можна пригнічувати концентрацію фосфору в шарі нікелю на стороні друкованої плати. Обидва ці фактори позитивно впливають на крихкість з’єднання.

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