Влияние тока на рост вискеров олова в паяном соединении

В статье приведены результаты продолжавшихся восемь месяцев экспериментов по определе­нию скорости роста вискеров на покрытых мато­вым оловом медных образцах при протекании по­стоянного тока. Было обнаружено, что при проте­кании тока число вискеров на единицу площади уменьшается, а их длина несколько увеличивается.

А. Мельниченко

В условиях перехода к бессвинцовой технологии изготовления электронных изделий в качестве альтер­нативы оловянно-свинцовым припоям производители используют для пайки преимущественно припои из чистого олова или олова с добавками других метал­лов. В связи с тем, что олово обладает способностью образовывать вискеры (самопроизвольно растущие нитевидные кристаллы), возникает вопрос, насколько надежными будут эти паяные соединения и не увели­чится ли число замыканий, вызванных увеличением длины вискеров, в течение срока службы изделия?

В настоящее время известны результаты лишь двух экспериментов, в которых было установлено влияние протекания тока через паяное соединение на рост вискеров. В этих экспериментах время наблюде­ния не превышало 1000 ч (два месяца). Один из них проводился с использованием медной пластины, пок­рытой матовым оловом, при четырех различных плот­ностях тока от 0.25•IO² до 3.12* 10² А/см². Исследова­ния показали, что протекание тока не влияет на рост вискеров. В другом эксперименте проводилось опре­деление скорости электромиграции с использовани­ем структуры, состоящей из слоя олова толщиной 0.5 мкм поверх слоя титана толщиной 0.07 мкм. В этом случае рост вискеров происходил в области анода, в то время как размеры зерен олова возле ка­тода уменьшались. Был сделан вывод, что рост виске- ров является результатом действия сил сжатия, воз­никающих вследствие движения атомов олова от ка­тода к аноду из-за электромиграции. Скорость роста вискеров при температуре 25 и 50 °С и плотности то­ка 1.5*105 А/см² составляла соответственно 3 и 7.7 ангстрем в секунду. Следует упомянуть, что материал, используемый в этом эксперименте, а также величи­ны плотности тока и толщины покрытия не соответ­ствуют условиям, существующим в изделиях электро­ники. Поэтому для проверки скорости роста вискеров при реальных величинах тока был проведен еще один эксперимент, результаты которого описаны ниже.

Методика проведения эксперимента

Медные образцы размерами 12.7×31.7×0.15 мм были покрыты матовым оловом толщиной 5±0.4 мкм. Для моделирования условий механической обработки края образца были изогнуты под углом 90° (рис. 1). Че­рез образцы, число которых составляло половину общего количества, пропускался ток плотностью 0.48И02 А/см2, остальные образцы служили в качестве контрольных. Выбранная величина плотности тока яв­ляется типичной для устройств силовой электроники, таких, например, как преобразователи для сетей бес­проводной передачи данных. Три образца были поме­щены в камеру с относительной влажностью 50% при 50 °С на срок 8 месяцев. Такие условия испытаний, как сообщалось, способствуют ускорению роста вискеров.

Рис. 1. Процесс гибки покрытого оловом медного образца при подготовке к эксперименту

Измерения плотности расположения вискеров, их максимальной длины и ее отклонения от среднего значения выполнялись еженедельно на пятнадцати площадках размером 725×625 мкм. Для этого исполь­зовался сканирующий электронный микроскоп. Изме­рения проводились как на плоской части образцов, так и на обеих сторонах изогнутых поверхностей (рис. 2).

Рис. 2. Места приложения напряжения к образцу и области наблюдения за ростом вискеров

Результаты эксперимента

После окончания эксперимента с помощью микро­скопа была исследована структура поверхности образцов для определения размеров зерен олова и их соот­ветствия нормативным документам. На всех образцах были обнаружены вискеры, причем на внутренних сто­ронах изогнутых поверхностей их численность и длина были больше, что объясняется, вероятно, наличием сил сжатия, возникающих в результате изгиба. Поверх­ностная плотность расположения вискеров хорошо согласуется с нормальным законом распределения.

Рост вискеров начинался спустя 3-5 недель после нанесения покрытия, причем на изогнутых поверхностях – примерно на 2 недели раньше, чем на плоских. В отличие от предыдущих экспериментов, в данном случае рост вискеров на покрытых оловом образцах наблюдался как у анода, так и у катода. Уменьшения размеров зерен олова заме­чено не было, что, вероятно, объясняется мень­шей, чем в предыдущих экспериментах, плот­ностью тока.

Максимальная длина вискеров (мкм) на плоской поверхности образца после окончания эксперимента

Рис. 3. Плотность расположения вискеров на покрытых матовым оловом образцах (среднее значение и стандартное отклонение) в условиях отсутствия и наличия тока

На рис. 3 приведена плотность расположения вискеров (среднее значение и отклонение) на плоской час­ти образца. Сравнение с контрольными образцами позволяет сделать вывод, что протекание тока приводит к уменьшению плотности вискеров (рис. 3), хотя их длина при этом несколько увеличивается (см. табл.).