НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНА ПАЙКА ВІСМУТОВМІСНИМИ СПЛАВАМИ

Вісмут дозволяє знизити  температуру процесу, але також погіршує механічні властивості припою – у статті розглянуті шляхи вирішення цієї дилеми.

Вступ

Відповідно до дорожньої карти iNEMI 2015 року, технічні та економічні переваги низькотемпературного паяння можуть збільшити  використання низькотемпературних паяльних паст з <1% сьогодні до приблизно 20% протягом наступних десяти років. Незважаючи на значний потенціал для зростання ринку, вибір низькотемпературних сплавів для задоволення вимог процесу SMT обмежений. Легкоплавкі сплави, що містять індій і вісмут, були очевидним вибором, однак через нижчу вартість і більшу доступність сплав Sn-Bi став більш популярним. Після переходу електронної промисловості на пайку без використання свинцю сплав Sn-58Bi був визнаний можливою заміною евтектичному Sn-Pb. Однак через його нижчу пластичність і погані термомеханічні властивості, сплав Sn-58Bi не набув широкої популярності і використовується лише в обмежених сферах застосування, які не потребують високого термічного циклу або стійкості до механічних ударів при падінні. Однак поширення багатоетапних процесів монтажу в останні роки, значне збільшення використання чутливих до температури компонентів і потреба в менш дорогих підкладках створюють додаткові проблеми, тому  низькотемпературні пайки знову в центрі уваги.

Крім того, мініатюризація портативної електроніки також висунула вимоги до все більш тонких компонентів FCBGA (Flip Chip Ball Grid Arrays). Нещодавні аналізи показали, що монтаж цих ультратонких корпусів зі стандартними безсвинцевими припоями (такими як Sn-3Ag-0,5Cu з температурою плавлення 221 ^oC) викликає деформацію корпусу та/або самої друкованої плати . Це суттєво обмежує використання ультратонких мікропроцесорів останнього покоління. Використання низькотемпературних припоїв значно знижує ризик описаних деформацій, однак припій Sn-Bi не відповідає ударостійкості сплавів Sn-Ag-Cu . На додаток до подолання описаних технічних труднощів пошук відповідних низькотемпературних сплавів, які могли б замінити сплави Sn-3Ag-0,5Cu, означав би значну економію внаслідок зниження витрат на енергію та значного скорочення викидів вуглекислого газу.

У попередніх роботах проаналізовано, як використання домішок для евтектичних сплавів Sn-Bi істотно покращує їх термомеханічні властивості. Було проаналізовано, як неевтектичний припій Sn-Bi з додаванням домішок 2% від ваги (надалі X46) дозволяє знизити пікову температуру оплавлення до 190 °C, що призводить до значно меншої кількості дефектів під час паяння оплавленням.

Зниження температури процесу

Комбінація Sn (43% за вагою) і Bi (57% за вагою) утворює евтектичний сплав з температурою плавлення 138 ^oC. Слід зазначити, що зі зменшенням вмісту Bi температура розрідження зростає (табл. 1). Під час процесу SMT температура зазвичай на 25-30 ^oC вища за точку переходу припою в рідкий стан. Таким чином, наприклад, для сплаву Sn-Bi з 35% за вагою Bi потрібен профіль оплавлення приблизно до 211 ^oC, тоді як зниження вмісту Bi до 40% за вагою вимагатиме максимальної температури оплавлення приблизно 200 ^oC. Така температура буде вищою за пікову температуру, що може призвести до зменшення кількості спотворень і значної економії коштів.

Таблиця 1: Температура оплавлення пасти в залежності від вмісту вісмуту

Окремим питанням є взаємодифузія між Sn-3Ag-0,5Cu і Sn-Bi при температурах, нижчих за температуру плавлення Sn-3Ag-0,5Cu. Сплав із нижчою температурою плавлення сприяє взаємній дифузії між двома сплавами та утворенню паяного з’єднання. Ілюстрацією цього явища є таблиця 1, у другій частині якої показано рідку частку сплавів Sn-Bi з різним вмістом Bi. Наприклад, сплав із вмістом Bi до 55% за вагою повністю переходить у рідку фазу при температурі 144 ^oC. Зменшення вмісту Bi зменшує частку фракції припою, яка перетворюється на рідину при даній температурі: наприклад, зменшення вмісту Bi з 50% до 45% за вагою зменшує рідку фракцію з 96% до 78%.

Покращення механічних властивостей припою з вісмутом

Дискусії щодо можливості широкого застосування сплаву Sn-Bi завжди точилися навколо його поганих механічних властивостей, особливо надмірної крихкості та низької міцності на розрив. Збільшення вмісту Bi негативно впливає на міцність припою на розрив, а UTS (Ultimate Tensile Strength) – коефіцієнт крихкості – залишається на такому ж рівні .

На мал. 1 показано ефект старіння Sn-45Bi при кімнатній температурі. Через 24 години мікроструктури вісмуту (видимі білі області на мал. 1) помітно збільшилися в об’ємі. Вимірювання твердості показало, що Sn-Bi має тенденцію до твердіння після старіння – цей параметр, виміряний за шкалою Віккерса, збільшився через 24 години з 6,6 до 8,5 Hv2,5. Однак просте зменшення вмісту Bi не покращує ударостійкість припою до рівня SAC305 – припій зі зниженим вмістом Bi лише до 40% за вагою все ще на 60% слабкіший за Sn-3Ag-0,5Cu.

Малюнок 1. Мікроструктура сплаву SnBi через 24 години.

Варіантом поліпшення механічних властивостей сплавів Sn-Bi є використання легуючих добавок. У табл. 2 показано вплив використання таких добавок, як Ag та In на температуру плавлення сплаву Sn-Bi. Додавання Ag або In до 1% від ваги суттєво не змінює температуру солідусу та ліквідусу сплаву. Однак при 3% від ваги температура солідусу падає до 125 ^oC, що є суттєвим.

Таблиця 2. Вплив домішок на температуру плавлення припоїв Sn-Bi

*Пік при 100 ^oC.

Незважаючи на обмежений вплив на температуру плавлення сплаву Sn-58Bi, додавання Ag може позитивно вплинути на його механічні властивості. У табл. 3 показано вплив добавок на механічні властивості: UTS (граничне напруження на розтяг), межа текучості, міцність на розрив і модуль пружності. Збільшення додавання Ag з 0,4% до 1% від ваги призводить до більшої міцності, але в результаті нерозпізнаного механізму це також знижує міцність на розрив. Додавання 1% від ваги In мінімально впливає на механічні властивості сплаву, а 3% від ваги In значно знижує міцність на розрив і гнучкість сплаву. Зменшення вмісту Bi до 38% від ваги і збереження додавання 1% від ваги Ag призводить до вищого UTS і модуля пружності, але знижує міцність на розрив.

Таблиця 3: Вплив домішок на механічні властивості припоїв Sn-Bi.

Висновки:

• Для того щоб пікова температура процесу оплавлення впала нижче 200^oC, вміст Bi має бути не менше за 40% від ваги.
• Припої, що містять Bi, не дуже стійкі до механічних навантажень, і просте зменшення вмісту Bi не підвищує їх механічну стійкість до рівня, подібного до SAC305.
• Механічну міцність можна підвищити за допомогою додавання Ag до 1% від ваги, але така обробка знижує міцність на розрив. Альтернативою є додавання In, яке не погіршує стійкість до подовження. Однак 3% від ваги додавання In підвищує крихкість припою, який до. Того ж починає плавитися вже при 100^o
• Припої X46 і Sn-3Ag-0,5Cu з’єднуються вже при температурі 190^oC, створюючи припій з механічною ударостійкістю, подібною або навіть ідентичною Sn-3Ag-0,5Cu.
• Однорідні паяні з’єднання неевтектичного Sn-Bi + 2% добавки (сплав X46) мають таку ж ударостійкість, як і Sn-3Ag-0,5Cu.

Джерело: LOW TEMPERATURE SOLDERING USING SN-BI ALLOYS, Morgana Ribas, Ph.D., Anil Kumar, Divya Kosuri, Raghu R. Rangaraju, Pritha Choudhury, Ph.D.,Suresh Telu, Ph.D., Siuli Sarkar, Ph.D., Alpha Assembly Solutions India R&D Centre

Посилання:

Aspandiar, R. et al., “Investigation of Low Temperature Solders to Reduce Reflow Temperature, Improve SMT Yields and Realize Energy Savings”. Proceedings of the2015 APEX Conference, February 2015.

Chen, O. H. et al., “Comparison of the Mechanical Shock/Drop Reliability of Flip Chip BGA (FCBGA) Solder Joints Formed by Soldering with Low Temperature BiSn-Based Resin Reinforced Solder Pastes”. Proceedings of the International Conference on Soldering and Reliability, 2015.

Chen, O. H. et al., “Soldering SAC Solder Balls BGAs with BiSnAg and Resin Reinforced BiSn-Based Solder Pastes”. Proceedings of SMTA International, September 2015.

Chen, O. H. et al., “Mechanical Shock and Drop Reliability Evaluation of the BGA Solder Joint Stack-Ups Formed by Reflow Soldering SAC Solder Balls BGAs with BiSnAg and Resin Reinforced BiSn-Based Solder Pastes”. Proceedings of SMTA International, September 2015,Rosemont-USA, pp.215-222.

Mokler, S. et al., “The Application of Bi-based Solders for Low Temperature Reflow to Reduce Cost while Improving SMT Yields in Client Computing Systems”. Proceedings of SMTA International, September 2016, Rosemont-USA, pp.318-326.

Ribas, M. et al., “Low Temperature Alloy Development for Electronics Assembly”. IPC APEX, San Diego – USA, February 2013.

Ribas, M. et al., “Development of Low-Temperature Drop Shock Resistant Solder Alloys for Handheld Devices”. Proceedings of IEEE 15th Electronics Packaging Technology Conference, Singapore, December 2013, pp.53- 57.

Ribas, M. et al., “Thermal and Mechanical Reliability of Low-Temperature Solder Alloys for Handheld Devices”. Proceedings of IEEE 16th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapore, December 2014, pp.366-371.

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