Pb free что это

Почему и зачем они появились?

Начало всему положила директива 2002/95/ЕС Евросоюза, ограничивающая использование опасных химических соединений в промышленной электронной продукции. [1] Согласно данной директиве, известной ныне под аббревиатурой RoHS (Restriction of Hazardous Substances – запрет вредных веществ), с 1 июля 2006 года запрещено использование в новой электронной технике целого ряда опасных для здоровья и окружающей среды материалов. Директивы аналогичного содержания приняли Китай, Япония и некоторые штаты США (в том числе колыбель Кремниевой долины — Калифорния). В число таких материалов входят ртуть, кадмий, шестивалентный хром, но основным материалом, из-за которого и разгорелся весь сыр-бор, явился свинец, который входит в состав традиционных оловянно-свинцовых припоев, используемых, в том числе, в качестве покрытия выводов электронных компонентов. В данной статье мы не будем оценивать эффективность такого решения (по данным Американского Геологического Общества менее 1% используемого в промышленности свинца расходуется на цели электронной промышленности [2], более того – многие Pb-free припои намного токсичнее впавшего в немилость оловянно-свинцового собрата) и его экономические последствия, рассмотрим лишь технические аспекты, с которыми предстоит столкнуться разработчикам и производителям электронной техники. Развитием экологического направления в электронной индустрии является стандарт (де-факто) Green. Вдобавок к требованиям RoHS он запрещает использование галогенов (бром, хлор и т.д.), что на практике приводит к использованию других материалов корпусов интегральных микросхем и других вспомогательных веществ (клеи и т.д.). Несмотря на то, что официальный стандарт Green на данный момент отсутствует, ведущие производители выработали общие критерии, которым собираются придерживаться.

Кого это коснётся?

Практически всех разработчиков и производителей электронной техники! В первую очередь, конечно, следует задуматься тем из них, кто экспортирует продукцию в вышеперечисленные страны. У них осталось меньше года для того, чтобы полностью «вывести» свинец из состава изделий. Однако, не следует думать, что всех остальных данная проблема никак не коснётся. Такие крупные фирмы-производители интегральных микросхем, как Texas Instruments, AMD, Fairchild Semiconductor, Philips и многие другие планируют полностью перейти на бессвинцовые технологии в самое ближайшее время. Компоненты, выполненные по традиционной технологии, будут доступны только под заказ. Об этом же сообщают производители дискретных полупроводников (ON Semiconductors, Vishay). Не отстают и производители пассивных компонентов – один из крупнейших мировых производителей Samsung Electro-Mechanic на данный момент практически полностью перешёл на новые технологии. В связи с этим, использование компонентов, не содержащих свинца во всей выпускаемой продукции – это вопрос ближайшего времени для всех производителей электроники.

Что взамен свинца?

На данный момент среди производителей электронных компонентов нет единодушия в этом вопросе. В качестве альтернативы покрытиям выводов, содержащим свинец, наиболее часто используется чистое олово (Sn), сплавы олова и висмута (Sn-Bi) (в настоящее время используется всё реже) и многослойное покрытие золотом, палладием и никелем (Au-Pd-Ni). В качестве материала для изготовления выводов микросхем в корпусе Ball Grid Array (BGA) наиболее часто используется сплав олова, серебра и меди (Sn-Ag-Cu). Этот же материал наряду со сплавом олова и меди (Sn-Cu) является наиболее популярным бессвинцовым припоем. Строго говоря, данные материалы были известны и ранее, но по популярности серьёзно проигрывали традиционному сплаву олово-свинец (Pb-Sn). Например, ламинат Au-Pd-Ni впервые был использован фирмой Texas Instruments в 1989 году и с тех пор ими выпущено несколько миллионов компонентов с таким покрытием. Кроме этого, претерпевают изменения и покрытия самих печатных плат, для которых всё чаще используются золото (обычно с промежуточным слоем никеля), чистое олово и серебро и даже органические материалы. Такое разнообразие материалов, нередко усугубляемое необходимостью использования на одной печатной плате как компонентов, произведенных по традиционной технологии, так и бессвинцовых элементов, вызывает большое количество вопросов по корректной технологии пайки и выбору припоев у разработчиков и производителей электроники. Учитывая всё больший рост в процентном соотношении компонентов без содержания свинца (в том числе и на отечественном рынке), в данной статье мы постараемся осветить хотя бы часть этих вопросов.

Как распознать Pb-free компонент?

Как и в вопросе выбора материалов на замену оловянно-свинцовому припою, здесь среди производителей нет однозначности. В Tаблице 1 приведены примеры новых обозначений, используемых основными производителями интегральных микросхем.

Tаблица 1. Примеры новых обозначений, используемых ведущими производителями интегральных микросхем

Фирма-производитель	Тип микросхем	Используемый материал выводов Pb-free	Обозначение Pb-free компонентов	Пример обозначения
				Старое	Новое
Texas Instruments	В корпусе BGA	Сплав SnAgCu	Буква «Z» в обозначении корпуса	OPA2347YEDR	OPA2347YZDR
	В других корпусах	Au-Pd-Ni	Добавление индексов «G4», «E4» (и др. определяемых стандартом JEDEC1 ) в обозначении	MSP430F149IPM	MSP430F149IPMG4
Atmel	Коммерческого температурного диапазона	Чистое олово или Au-Pd-Ni	Индексы L(покрытие оловом), G(покрытие NiPdAu), X(Green) взамен индекса С в обозначении
	Индустриального температурного диапазона		Индексы J(покрытие оловом), H(покрытие NiPdAu), U(Green) взамен индекса I в обозначении	ATMEGA64L-8MI	ATMEGA64L-8MU
				AT91M42800A-33CI	AT91M42800A-33CJ
		Повышенной стойкости	Индексы N(покрытие оловом), P(покрытие NiPdAu), Q(Green) взамен индекса E в обозначении
		Автомобильного температурного диапазона 125°С	Индексы K(покрытие оловом), R(покрытие NiPdAu), Z(Green) взамен индекса A в обозначении
		Автомобильного температурного диапазона (кроме 125°С)	Индекс T(Green) в обозначении
		Все	Добавление индексов Y или W	TDA4470-MFL	TDA4470-MFLY
National Semiconductor	Все	Чистое олово, Сплав SnAgCu для корпусов BGA	Добавление индекса NOPB в конце обозначения	LM324AM	LM324AM NOPB
Toshiba Semiconductor	Микросхемы памяти	Буква «G» в обозначении корпуса	TC58128AFT	TC51WHM516AXBN
			TC58128ATG	TC51WHM516AXGN
	Дискретные полупроводники 4	Чистое олово, чистое золото, Au-Pd-Ni, сплав SnAgCu, cплав SnAg	Добавление индекса «F» в конце обозначения для изделий без свинца или индекса «Q» для изделий с бессвинцовым покрытием
	Другие интегральные микросхемы 4	Добавление индекса «G» в конце обозначения для изделий без свинца или индекса «Q» для изделий с бессвинцовым покрытием
Analog Devices	Все 4	Чистое олово, Сплав SnAgCu для корпусов BGA	Добавление индекса «Z» в конце обозначения	ADM1024ARU-REEL	ADM1024ARUZ-REEL
				AD648KR	AD648KRZ
				AD7528KP-REEL7	AD7528KPZ-REEL7
				ADP3522ACP-1.8-RL7	ADP3522ACPZ-1.8-RL7

1. В соответствии со стандартом JEDEC [3] приняты следующие аббревиатуры в наименованиях компонентов:
   e1 – выводы покрыты сплавом олова, серебра и меди (SnAgCu) (Кроме перечисленных в категории e2)
   e2 – выводы покрыты сплавами олова (Sn), не содержащими висмут (Bi) и цинк (Zn) кроме сплава SnAgCu
   e3 – выводы покрыты оловом (Sn)
   e4 – выводы покрыты драгоценными металлами (серебром (Ag), золотом (Au), палладием и никелем (NiPd), палладием, никелем и золотом (NiPdAu)) (не содержат олова (Sn))
   e5 – выводы покрыты сплавами олова и цинка (SnZn, SnZnx) (не содержит висмута (Bi))
   e6 – содержит висмут (Bi)
   e7 – выводы покрыты низкотемпературным припоем (температура плавления менее 150°C) содержащими индий (не содержат висмута (Bi))
2. Кроме этого, знаком «+» обозначается первый вывод микросхем
3. Изменения касаются кода заказа (order code)
4. Изменения не касаются микросхем, изначально выпускаемых как Lead-free

Кроме перечисленных выше изменений в наименованиях, большинство фирм-производителей помещают утверждённый стандартом JEDEC [3] символ на упаковку (Рис.1)

Рис.1 Маркировка упаковки компонентов, не содержащих свинца

Встречаются также нестандартные маркировки, но все он содержат надпись Pb-free или Lead-free, означающую отсутствие свинца.

Особенности применения электронных компонентов без содержания свинца (Pb-free) (Часть 2.)

Прежде всего, следует развеять наиболее часто встречающееся среди разработчиков и производителей электронной техники заблуждение, что компоненты, не содержащие свинца, требуют специальных припоев и технологий пайки. В данном вопросе все ведущие производители единодушны – большинство Pb-free компонентов полностью совместимы со стандартными технологиями пайки оловянно-свинцовыми припоями. Исключения из этого правила – микросхемы в корпусах Ball Grid Array (BGA) и с редко встречающимися покрытиями выводов с использованием висмута (материал покрытия выводов конкретного электронного компонента, как правило, указан на сайте производителя). Более того – совместимость с требованиями RoHS, равно как и знак Pb-free вообще не означают, что элемент можно паять бессвинцовыми припоями, т.к. большинство из них имеют повышенную температуру плавления. Этот факт отдельно оговаривается в документации на элемент (см. максимально допустимую температуру пайки). Использовать технологии пайки, не использующие свинцово-содержащие припои, вам однозначно придётся лишь в том случае, если продукция должна соответствовать требованиям директивы RoHS. В таблице 2 приведены различные комбинации материалов выводов и технологий пайки с указанием возможных проблем и несовместимостей.

Таблица 2. Комбинации материалов выводов и технологий пайки и их совместимость

Тип корпуса	Технология пайки 1	Покрытие выводов	Возможные проблемы
С выводами	Традиционная, оловянно-свинцовый припой	Олово/свинец	Нет
		Чистое олово (Pb-free)	Нет
		Золото- палладий- никель (Au-Pd-Ni) (Pb-free)	Нет
		Сплав олова и висмута (Pb-free)	Плохое качество пайки из-за реакции со свинцом
	Высокотемпературная, бессвинцовый припой	Олово/свинец	Присутствие висмута (Bi) в паяльной пасте может вызвать реакцию со свинцом, что приведёт к плохому качеству пайки. Вероятность расслоения под воздействием высоких температур.
		Чистое олово (Pb-free)	Нет
		Золото- палладий- никель (Au-Pd-Ni) (Pb-free)	Нет
		Сплав олова и висмута (Pb-free)	Нет
BGA CSP	Традиционная, оловянно-свинцовый припой	Олово/свинец	Нет
		Сплав SnAgCu (Pb-free)	Требуется повышение температуры пайки, возможно преждевременное старение паек и непропай
	Высокотемпературная, бессвинцовый припой	Олово/свинец	Вероятны дефекты
		Сплав SnAgCu (Pb-free)	Нет

Примечание: 1 Стандартные температурные «профили» для традиционной технологии и высокотемпературной технологии с использованием бессвинцовых припоев приведены в стандарте JEDEC [4]. Ещё раз обращаем ваше внимание – совместимость со стандартом Pb-free не означает совместимости с высокотемпературной технологией пайки!

Как видно из таблицы, традиционная технология пайки с использованием оловянно-свинцовых припоев полностью совместима с новыми Pb-free компонентами (за исключением интегральных микросхем в корпусах BGA и редко используемых покрытий с использованием висмута). Интегральные микросхемы с многослойным покрытием выводов золотом, палладием и никелем (Au-Pd-Ni) (этот материал выбран в качестве основного, к примеру, фирмами Texas Instruments и ST Microelectronics) имеют наименьшую вероятность несовместимости с технологией пайки. В таб. 3 приведен краткий обзор наиболее популярных припоев для традиционной и Pb-free технологий.

Таблица 3. Основные типы припоев, используемых в электронной промышленности и их особенности

Название	Состав	Особенности
BiSn	58% висмут, 42% олово	Низкотемпературный. Точка плавления 138°C; слабая прочность пайки, особенно при термоциклировании; совместим с выводами, покрытыми чистым оловом; сравнительно низкая стоимость
SnPb («традиционный»)	60% олово, 40% свинец	Общего применения; точка плавления 183°C; совместим с выводами, покрытыми чистым оловом; блестящий; низкая цена
SAC	96.5% олово, 3.0% серебро, 0.5% медь (содержание меди может незначительно отличаться)	Наиболее популярный Pb-free припой, совместим с традиционными оловянно-свинцовыми покрытиями и покрытием чистым оловом; точка плавления 219°C; матовый
SnAg	96.5% олово, 3,5% серебро	Точка плавления 221°C; совместим с выводами, покрытыми чистым оловом; не совместим с традиционными оловянно-свинцовыми покрытиями
SnCu	99.3% олово, 0.7% медь	Совместим с традиционными оловянно-свинцовыми покрытиями и покрытием чистым оловом; точка плавления 227°C; матовый; низкая стоимость; невысокие механические параметры
Sn	Олово > 98%	Cовместим с традиционными оловянно-свинцовыми покрытиями и покрытием чистым оловом; точка плавления 232°C; блестящий; не переносит эксплуатации при низких температурах
SnPb (высокотемпературный)	5% олово, 95% свинец	Cовместим с традиционными оловянно-свинцовыми покрытиями и покрытием чистым оловом; используется для корпусов типа Flip-Chip и BGA; точка плавления ок. 300°C;

К сожалению, практически все припои, имеющие температуру плавления, близкую к 183°C (температура плавления традиционного оловянно-свинцового припоя) имеют серьёзные недостатки. В эту группу входят припои с использованием индия (основной недостаток – высокая цена), цинка (основной недостаток – проблемы с коррозией) и висмута (несовместим со свинцом, низкая прочность). Основываясь на результатах многолетних исследований, крупнейшие ассоциации производителей электронной техники (в частности, INEMI) рекомендуют в качестве альтернативы традиционным припоям сплавы SAC для пайки в печке и SnCu для пайки «волной»[5]. Основной проблемой при переходе на данные типы бессвинцовых припоев является более высокая температура плавления, что, в свою очередь, требует изменения профилей пайки. Стандартные профили пайки для Lead-free технологии приведены в стандарте JEDEC [4].

• Температуру жала следует повысить до 343°C (по сравнению с 315°C для оловянно-свинцовых припоев)
• Для защиты жала паяльной станции от окисления следует более тщательно очищать его и, по возможности, держать жало полностью покрытым припоем
• Использовать разные жала для пайки оловянно-свинцовыми и Lead-free припоями во избежание их смешивания
• Для соблюдения необходимых температурных профилей следует увеличить время разогрева и скорость охлаждения (жало следует убирать быстрее)

При выполнении этих рекомендаций и достаточной квалификации монтажников, качество ручной пайки Lead-free припоями соответствует наиболее высокому классу III требований IPC [8].

Что касается флюсов, клеев, смывок и других вспомогательных веществ для пайки, подавляющее их большинство может быть использовано как в традиционной технологии, так и при высокотемпературной пайке Lead-free припоями. То же касается и технологического оборудования (для нанесения паяльных паст и т.д.).

Другие аспекты

Важным моментом является тот факт, что повышенная температура пайки приводит к более высокой чувствительности компонентов к влажности. Это связано с тем, что повышение температуры пайки всего на 25°C приводит к примерно 1,5-кратному повышению давления водяного пара внутри компонента, что может вызвать различные механические дефекты. Чувствительность электронных компонентов к влажности стандартизирована [4] и выражается в так называемом уровне чувствительности к влажности (MSL — Moisture Sensitivity Level). При переходе на Lead-free технологии производители стремятся сохранить уровень MSL, однако это получается не всегда. В ряде случаев компоненты, выполненные по новой технологии, имеют более низкий уровень MSL, что приводит к ужесточению требований при их хранении (разумеется, лишь в случае использования высокотемпературных профилей пайки).

Припои, не содержащие свинца, как правило, имеют более высокий коэффициент поверхностного натяжения, что приводит к увеличению числа дефектов типа «tombstone» (поднятие компонента при пайке, см. Рис. 2).

Рис. 2 Дефект типа «поднятие компонента при пайке» (tombstone)

Кроме этого, отмечается ухудшенная смачиваемость выводов припоем при пайке выводных компонентов и увеличение числа дефектов типа «voids» (полости, рис. 3) при пайке микросхем в корпусе BGA, особенно при использовании плохо совместимых комбинаций припоя и материала «шариков».

Рис. 3 Дефект типа «полость» (voids) при пайке микросхем в корпусе BGA

В то же время, при чётком соблюдении требований к профилям пайки, большинством исследователей отмечается в целом более высокое качество пайки при использовании Lead-free технологий. Следует лишь иметь в виду, что характер наиболее часто встречающихся дефектов при переходе на новые технологии может измениться, что потребует адекватных изменений в системе контроля качества. Особенно это касается компонентов, выводы которых имеют покрытие Au-Pd-Ni, визуальный контроль качества пайки которых имеет существенные отличия.

Ещё одним немаловажным аспектом в наших климатических условиях является тот факт, что при температурах, ниже 13°C происходит фазовое превращение олова из b- в a- фракцию, известное, как «оловянная чума». В связи с этим, некоторые производители ограничивают срок хранения компонентов с покрытием из чистого олова при пониженных температурах, также следует учитывать этот эффект при использовании припоев с высоким содержанием олова. Так как «оловянная чума» сильно сказывается лишь при температурах ниже -40°C (при около-нулевых температурах процесс трансформации занимает многие годы) её влияние на Lead-free компоненты на данный момент изучено слабо [6]. Вероятно, это является причиной того, что практически никто из производителей на данный момент не перевёл на Lead-free технологии компоненты военного (Military и Aerospace) исполнения.

Следует также отметить проблему несовместимости некоторых традиционных электронных компонентов с Lead-free технологиями пайки. В первую очередь, это электролитические конденсаторы, большинство из которых имеет максимально допустимую температуру пайки в 225°C. Также следует обращать внимание на максимально допустимую температуру пайки моточных компонентов (дроссели, трансформаторы, реле и т.д.). В таких случаях можно рекомендовать в качестве временного решения ручную пайку термочувствительных элементов после пайки в печке, а в качестве долговременного – переход на более высокотемпературные компоненты (например, танталовые и керамические конденсаторы взамен электролитических).

У компонентов с покрытием чистым оловом существует проблема роста «усов» (tin whiskers) на выводах, теоретически способных вызвать замыкание. На Рис. 4 приведена фотография такого дефекта при увеличении 3000х [7].

Рис. 4 Дефект типа «усы» (tin whiskers)

К счастью, хотя бы этот вопрос производители компонентов взяли под свой контроль – считается, что рост «усов» в большей степени зависит от особенностей технологического процесса покрытия выводов, не зависящего от конечного пользователя.

Выводы

Интегральные микросхемы и пассивные компоненты без содержания свинца (Lead-free, Pb-free) составляют всё больший процент среди электронных компонентов, в дальнейшем следует ожидать полного отказа от свинца в электронной промышленности. Экспортёрам продукции в страны ЕЭС и др. страны в самое ближайшее время придётся соблюдать требования директивы Евросоюза о запрещении использования опасных химических элементов в электронной продукции.

Подавляющее большинство компонентов без использования свинца совместимы со стандартными технологиями пайки оловянно-свинцовыми припоями (за исключением микросхем в корпусах BGA). В то же время, не все компоненты, произведенные по традиционной технологии совместимы с высокотемпературными технологиями пайки Lead-free припоями.

Использование наиболее популярных бессвинцовых припоев (сплав SAC) требует изменения профиля пайки (повышения температуры). Профили пайки стандартизированы JEDEC.

Высокотемпературные Lead-free технологии пайки требуют более жёсткого контроля параметров (температуры и скорости её изменения). В первую очередь, это касается инфракрасных печек, где параметры контролируются не так тщательно, как в конвекционных. Кроме этого, в некоторых случаях требуется модификация систем контроля качества. Также при изменении технологии пайки следует обращать внимание на условия хранения компонентов, в частности, учитывать уровень чувствительности к влажности (MSL). C другой стороны, при использовании Lead-free технологий повышается общее качество пайки, в частности, механические характеристики.

При выполнении ряда рекомендаций ручная пайка высокотемпературными Lead-free припоями обеспечивает все необходимые требования по качеству.

Литература

1. DIRECTIVE 2002/95/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL
   of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment. Official Journal of the European Union, 13.2.2003, L 37/19
2. Smith, G.R. & J.I. Martinez (2003), Lead in December 2002. Mineral Industry Survey, United States Geological Survey http://minerals.usgs.gov/minerals
3. JEDEC STANDARD Marking, Symbols, and Labels for Identification of Lead (Pb) Free Assemblies, Components, and Devices. JESD97 MAY 2004
4. JOINT INDUSTRY STANDARD Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices. IPC/JEDEC J-STD-020C July 2004
5. www.nemi.org/projects/ese/lf_assembly.html
6. “Napoleon’s Buttons and Lead-free Soldering” Ronald C. Lasky, Lead-free Electronics Magazine November, 2004
7. Whisker Evaluation of Tin-Plated Logic Component Leads. Douglas W. Romm, Donald C. Abbott, Stu Grenney, and Muhammad Khan. Texas Instruments Application Report SZZA037A — February 2003
8. Lead Free Hand Soldering. Lee Whiteman. A publication of the National Electronics Manufacturing Center of Excellence. April 2005

При подготовке материала также использованы данные фирм-производителей.

бессвинцовая пайка

Бессвинцовая пайка представляет собой припой, который не содержит в своем составе свинца. Данный метод получил свое распространение в ходе удаления свинца из процесса производства для минимизации экологических угроз и вреда здоровью человека, а также для повышения качества охраны труда.

Существуют различные бессвинцовые припои. Одним из наиболее простых и распространенных способов является осуществление пайки с использованием олова. При реализации такого метода производитель получает хорошее смачивание и наиболее высокую электропроводность, однако при этих достоинствах применение пайки с использованием только олова зачастую невозможно из-за возможности появления “усов” при термоциклированиях и образования трещин. Для предотвращения этих угроз производители могут использовать добавление других металлов.

Одним из наиболее распространенных в создании электроники является сплав олово-серебро-медь, в котором наибольшую долю занимает олово (более 90%).

Также для замены свинца используют другие металлы, такие как медь, серебро, висмут, цинк, золото и другие.

Применение того или иного типа припоя во многом зависит от направленности электроники. Например, для военных заказов и оборонной промышленности используется пайка олово-серебро-медь, которая на данный момент зарекомендовала себя как наиболее прочная и долговечная. При изготовлении устройств промышленности также рекомендуется использование припоя олово-серебро-медь, однако допускается и применение двухкомпонентного припоя олово-серебро. В отраслях, конечные продукты которых используются широким кругом лиц, допускается применение различных припоев. Вдобавок на выбор пайки оказывает влияние и стоимость некоторых компонентов: такой, как, например, висмут, сильно повышает стоимость конечного изделия.

Так или иначе, бессвинцовые припои имеют худшую смачиваемость по сравнению со свинцовосодержащими, а также такие виды припоев требуют более высокую температуру пайки, что, в свою очередь, требует выдержки более узкой границы термопрофиля. Оборудование должно контролировать температуру на протяжении всего процесса производства в режиме реального времени. Ни один из видов бессвинцовой пайки не является заменой для олово-свинцовой на данный момент, однако для предотвращения загрязнения окружающей среды производятся многочисленные исследования в данной области.

Связанные термины

• гальваническое осаждение меди Англ. plating

Процесс, заключающийся в химическом или электрохимическом нанесении меди на весь проводящий рисунок и стенки металлизированных отверстий.

• резист Англ. resist

Покрытие, диэлектрическое или металлическое, используемое в качестве защиты при выполнении последующих операций травления.

• маркировка печатной платы Англ. legend

Стойкость бессвинцовых сплавов к ударным (динамическим) нагрузкам. Эффект микродобавок

Проблема надёжности паяных соединений является одной из основных тем в электронной промышленности частично из-за постоянно растущей популярности мобильных электронных устройств и частично ввиду перехода на бессвинцовые паяльные материалы. Большинство рекомендуемых бессвинцовых сплавов (Pb-free)— это сплавы с большим содержанием олова (high Sn) и относительно высоким показателем модуля упругости и прочности. Это и играет ключевую роль в вопросе надёжности бессвинцовых паяных соединений. Более того, несмотря на то, что именно олово в припойных сплавах принимает основное участие в образовании паяного соединения, интерметаллические соединения, образованные использованием оловянно-свинцовых (SnPb) и бессвинцовых сплавов (Pb-free),могут различаться. На качество паяного шва также влияет и очевидно различающиеся режимы процесса для оловянно-свинцовых и бессвинцовых сплавов.

Хрупкий излом паяных соединений при термоударах образуется вблизи или непосредственно в промежуточном слое (слоях) интерметаллических соединений. Это происходит из-за хрупких свойств интерметаллических соединений, дефектов как внутри, так и на границе интерфейсов, а также в результате передачи напряжений промежуточным слоям по причине низкой вязкости припоя.

В процессе работ по улучшению характеристик сплавов компанией Cookson Electronics учитывались два основных направления — это повышение вязкости припоя, а также модифицированный контроль интерметаллических слоев. Широкий диапазон основных составов сплавов вместе с отобранными микросплавными добавками к сплавам на основе SnAgCu оценивались с целью контроля механических свойств и процессов диффузии, действующих при образовании и росте промежуточных интерметаллических слоев.

В данной статье приведены результаты глубокого изучения ряда микросплавных добавок. Сплавы-добавки обычно действуют как модификаторы диффузного отражения молекул, снижая взаимную диффузию между подложками и припоем, а также уменьшая как толщину интерметаллических соединений, так и вероятность образования пустот. В качестве альтернативного варианта можно использовать добавки, которые действуют как компенсаторы диффузии. Следует отметить, что уровень микродобавок не изменяет значительно объёмные механические свойства основных сплавов. Наши результаты, основанные на испытаниях на ударопрочность, демонстрируют возможность значительных улучшений надёжности паяных соединений.

По мере перехода электронной промышленности к бессвинцовой пайке SAC 305 и SAC 405 cтали наиболее распространенными сплавами благодаря самой низкой по сравнению с остальными сплавами температурой плавления, эвтектическому составу, а также хорошим циклическим усталостным характеристикам. Но всё же несмотря на соответствие большинству требований для успешной бессвинцовой пайки нельзя не упомянуть и некоторые сомнения, возникшие по мере увеличения основных характеристик используемых сплавов. Прежде всего, такие сомнения были связаны с различиями в результатах и эффективности процесса. Одновременно с развитием технологий бессвинцовых сплавов во всём мире развился и значительный интерес к производству мобильной электроники. Эти устройства подчёркивали необходимость хорошей устойчивости к ударным нагрузкам, а ведь именно в этой области как у сплава SAC 305, так и у других сплавов SAC с относительно высоким содержанием серебра (Ag) имеются значительные недостатки.

Главная причина слабой скорости деформирования сплавов SAC 305 в сравнении с эвтектическими оловянно-свинцовыми сплавами кроется в объёмных свойствах сплавов. Большинство бессвинцовых припоев содержат большое количество олова, а содержание серебра и меди составляет 5% и 1% соответственно. У таких сплавов относительно высокая прочность и эластичность, но более низкое полное акустическое сопротивление, поэтому при ударных нагрузках больше вероятность передачи напряжений границам раздела между припоем и подложкой. Интерметаллические соединения (IMC),формирующиеся в процессе пайки, имеют малую вязкость, поэтому именно на данной границе раздела и возникает хрупкий излом при тестировании на ударопрочность.

В качестве замены SAC-сплавам с высоким содержанием серебра, использующихся в корпусах BGA и CSP, предлагалось большое число проверенных и широко обсуждаемых в специальной литературе сплавов. Первым учитываемым фактором являются объёмные свойства сплава. Эффект увеличения прочности сплавов с высоким содержанием олова можно минимизировать посредством выбора сплавов с малым содержанием серебра. При снижении содержания серебра в сплаве становится меньше интерметаллических соединений Ag3Sn и, следовательно, уменьшается механическая прочность. На рисунке 1 показана прочность на сдвиг семейства сплавов SAC. Сплавы с меньшим содержанием серебра имеют преимущество в потенциальном снижении эффекта высокой скорости деформации.

Рис.1 Механические свойства серебросодержащих сплавов SAC

Вторым изученным фактором является происхождение и количество образующихся в процессе пайки интерметаллических соединений (IMC). Данная область более сложная. Высокая скорость образования хрупких изломов может проявиться при пайке бессвинцовым припоем на всех подложках, включая OSP Cu, ENIG, матовые Ni и подложки с плёнками (Au/Ni),нанесённые распылением. Образуемые пограничные интерметаллические соединения определяются синхронными фазами (свободной энергией) припоя с высоким содержанием олова и подложки таким образом, что, например, при пайке SAC-сплавом Cu6Sn5 будет синхронной фазой на границе раздела между припоем и подложкой, а Cu3Sn соответственно в равновесии с подложкой. Качество образованных интерметаллических соединений зависит от времени пайки, температуры и последующих условий старения компонентов. Вероятность хрупкого излома определенной границы раздела зависит от состава интерметаллического соединения. Например, из двух бинарных интерметаллических соединений олово-медь Cu3Sn более хрупок и отличается также толщиной интерметаллического соединения и наличием таких дефектов, как поры Киркендалла, медленно развивающиеся трещины и остаточное напряжение между слоями интерметаллических соединений ((Ni,Cu)6Sn5 и (Ni,Cu)3Sn4) [2,3]. Увеличения стойкости к ударным нагрузкам можно добиться контролем как за начальным образованием интерметаллических соединений, так и за их последующим развитием в течение срока службы устройства, включая дефекты интерметаллических соединений.

В ходе работ по улучшению характеристик припоев компания Cookson Electronics исследовала вязкость SAC-сплавов с низким содержанием серебра, улучшенными свойствами смачивания и растекаемости, включая модификацию и контроль за интерметаллическими соединениями посредством преобразования и комбинирования микросплавных добавок.

В данном исследовании сравнивается производительность семейства сплавов SAC как с содержащими микродобавки запатентованными сплавами SACX, так и со сплавами SACX без микродобавок. Роль серебра и меди в сплавах SAC напрямую зависит от Cu6Sn5 и Ag3Sn, упрочняющие матрицу Sn. Снижение содержания серебра и поддержание уровня содержания меди для контроля за растворением подложки, а также добавление висмута (Bi) для улучшения характеристик смачивания и усталостной прочности [4] составили основу сплава для развития микродобавок.

В процессе обсуждения влияния микросплавных добавок на изменение процесса развития интерметаллических соединений установлена прямая зависимость соединений от самих добавок. Так, И.Андерсон вместе с другими специалистами [5] указывает на улучшения в структуре хрупкого излома SAC-сплавов при добавлении кобальта (Co) и железа (Fe) с учётом снижения скорости растворения меди из подложки. При этом снижается вероятность образования как хрупкой фазы Cu3Sn, так и пустот. Ф. Гао [6] в процессе обсуждения данного вопроса говорит о похожей реактивной диффузии при добавлении кобальта и никеля (Ni) на базе термодинамических моделей и делает вывод о том, что кобальт и никель обладают большим сродством с оловом, чем с медью и их разветвление может образовать Cu6Sn5 посредством зарождения и роста Cu3Sn. В отсутствии добавок к переходным металлам диффузия по границам зёрен может привести к значительному росту интерметаллических соединений. Степень блокирования роста Cu3Sn при добавлении небольшого количества никеля показана на рисунке 2.

Рис.2 Образование интерметаллических соединений у сплавов SAC305 и SAC3DS + 0,1% Ni

Параллельно компания Cookson создала ряд бессвинцовых сплавов на оловянно-цинковой основе (SnZn) с низкой температурой пайки [7]. Наличие в составе этих сплавов микродобавок в виде индия (In),никеля, железа и кобальта оказалось эффективным при модификации эвтектического состава, целью которой было уменьшение содержания цинка для улучшения коррозионной устойчивости и образования высокомобильных диффундирующих веществ, например, индия, которые действуют как «компенсаторы» диффузии, минимизируя поры Киркендалла у паяных соединений, образованных с использованием сплавов олово — цинк -медь.

В данной работе показан процесс относительной деформации у SAC-сплавов с низким содержанием серебра при комбинированном добавлении висмута, никеля, хрома (Cr),германия (Ge) и индия. Микродобавки выбирались с целью оптимизации объёмных характеристик сплава, изменения особенностей образования интерметаллических соединений и улучшения характеристик окисления припойного сплава.

Ход испытаний

Испытания проводились на установках для тестирования соединений Dage 4000 и Dage 4000 HS. Установка Dage 4000 способна выполнять проверку шариковых выводов на целостность и надёжность со скоростью до 15 мм/сек, а Dage 4000 HS выполняет аналогичную процедуру со скоростью до 1000 мм/сек. Все испытания проводились с использованием сфер размером 18 мил (450 мкм),собранных на подложках типа CABGA100 и сфер размером 12 мил (300 мкм),смонтированных на подложках CBGA84, где для покрытия контактной площадки применялся сплав никель-золото (NiAu). Сферы монтировались с использованием пастообразного водорастворимого флюса (Alpha WS9180-M3),наносившегося на подложки через трафарет. Установка сфер проходила методом простого ручного монтажа и оплавления в среде воздуха в конвекционной печи оплавления, состоящей из семи зон. Два сплава с низким содержанием серебра на основе олово-серебро-медь (SAC105: Sn1.0Ag0.5.Cu и SACX: Sn0.3Ag0.7Cu0.1Bi),а также обычные SAC-сплавы SAC405 и SAC305 для сравнения использовались с рядом микродобавок. Образцы, не прошедшие испытания, сгруппированы в соответствии с выявленным дефектом, как показано на рисунке 3.

Рис.3 Режимы отказа шариковых выводов при растяжении. Изображения со сканирующего электронного микроскопа

• Режим 1 — Дефект контактной площадки

Контактная площадка отслаивается от подложки, что указывает на плохое качество платы или подложки.

• Режим 2 — Дефект шарикового вывода

Наиболее распространённая неисправность, которая указывает на вязкое разрушение паяльного материала.

• Режим 3 — Экструзия шарикового вывода

Возникает из-за неправильного расположения используемого для монтажа инструмента или по причине чрезмерной твёрдости припоя.

• Режим 4 — Неисправность стыковых или интерметаллических соединений

Дефект образуется на границе между припоем и контактной площадкой. Данная неисправность может иметь большее максимальное значение силы и преимущественно проявляется как хрупкий излом.

Высокоскоростное испытание на деформацию

Испытания на ударную прочность проводились в соответствии со стандартом JEDEC JESD22-B111, применяемым для определения воздействия ударной нагрузки на электронные мобильные устройства [8]. Однако данный метод испытаний требует много времени и затрат. На корпусах BGA и CSP для оценки качества паяной сферы можно использовать метод проверки на растяжение и на срез. В процессе испытаний удалось показать, что высокая скорость среза и высокая скорость деформации шарикового вывода, определённые тестером DAGE 4000 HS , имитируют воздействие ударной нагрузки [9, 10]. Помимо воздействия высокой температурой (150ºC) и увеличения количества фаз интерметаллических соединений стандартные испытания на растяжение и срез с помощью тестера DAGE 4000 могут воспроизводить результаты испытаний на удар.

В данном исследовании упоминается комбинация высокоскоростных испытаний на растяжение и на удар на узлах типа CABGA100 с использованием оборудования для испытаний на удар от компании Lansmont (Рис.4).

В дополнение к высокоскоростным испытаниям на растяжение и ударную нагрузку также исследовались характеристики смачивания и растекания сплавов. Сферы размером 12 мил помещались на флюс, нанесенный методом трафаретной печати на образец для испытаний, предварительно покрытый органическим защитным покрытием. Затем в воздушной среде конвекционной печи, состоящей из семи рабочих зон, проведено оплавление. Тестовые образцы с органическим защитным покрытием использовались для улучшения смачиваемости. После оплавления образцы погружались в горячую воду для удаления твёрдых остатков флюса. В процессе оплавления припой смачивает поверхность и растекается. Затем измеряется область смачиваемой поверхности и определяется коэффициент растекаемости как относительное увеличение в области, относящейся к выступающему поперечному сечению сферы.

Результаты

В программе развития свойств сплавов компанией Cookson Electronics проведено множество испытаний микросплавных SAC-припоев. Выбранные данные приведены ниже для демонстрации основных характеристик припоя, кинетики роста интерметаллических соединений, а также паяемости с учетом растекаемости и стойкости сплава к потускнению.

Состав SAC-сплавов

На рисунке 5 приведены данные испытаний на удар с использованием сплавов SAC405, SAC305, SAC105 и SACX на компонентах типа CABGA100, смонтированных со сферами размером 18 мил. Сплавы с высоким содержанием серебра на низких циклах склоны к большему числу неисправностей, чем сплавы с низким содержанием серебра. Как показано выше на рисунке 1, дефект возникает из-за низкого модуля припойного сплава и является важным фактором в выборе паяльных сплавов для высокоскоростных применений.

Рис.5 Испытания стандартных SAC-сплавов на удар

Эффект микросплавных добавок

В этой работе показывается большое число легирующих добавок, но при этом подробнее рассматривается эффект от добавок никеля, хрома, висмута, германия и индия. Данный выбор основывается на желании подчеркнуть возможность инженерных комбинаций, направленных на улучшение свойств сплавов с учётом той роли, которую играют микродобавки и интерметаллические соединения в процессе пайки и при тестировании.

Роль висмута

Компания Cookson разработала серию SAC-сплавов с улучшенной смачиваемостью и растеканием. Одним из компонентов этих сплавов является висмут. Так как ряд авторов [11, 12] ранее уже обсуждал вопрос влияния висмута на вероятность хрупкого излома, то нашей целью являлось определение производительности модифицированных висмутовых SAC-сплавов при испытании на растяжение и ударную нагрузку.

Рис.6 Испытания шариковых выводов на деформацию с использованием SAC-сплава при добавлении 0,1% висмута и без висмута

Рис.7 Соотношение отказов в режиме 4 без висмута и при добавлении в SAC-сплавы 0,1% висмута

На рисунках6 и 7 показаны результаты испытаний как на сплавах SAC305, SAC205, SAC105, SAC0307 (SACX без висмута),так и на аналогичных сплавах с содержанием висмута 0.1%. Тестирование проводилось на чипах типа CABGA100 со сферами 18 мил. После оплавления и перед выполнением испытания на растяжение компоненты подвергались резкому перепаду температуры (150ºС) в течение 500 часов. Скорости испытания — 15 мм/сек — оказалось достаточно для обнаружения хрупкого излома (режим 4) на приработанных паяльных узлах.

На рисунке 7 показаны результаты испытаний для SAC-сплавов как с добавлением висмута, так и без висмута. Коэффициент, равный единице, означает отсутствие эффекта после добавления висмута, при этом коэффициент >1 указывает на увеличение дефектов при добавлении висмута, в то время как показатель

На рисунках 8-11 приведены графики распределения Вейбулла с результатами испытаний на ударную нагрузку при использовании тех же сплавов как с добавлением висмута, так и без. Также как и данные испытаний на растяжение, результаты испытаний на удар показывают отрицательное влияние на результат после добавления висмута в сплавы SAC305 и SAC205, включая незначительное (сплав SAC105) и значительное (сплав SAC0307, SACX0307+0.1Bi) улучшение качества соединений.

Рис.8 График Вейбулла для сплавов SAC305 без висмута и SAC305 с добавлением 0,1% висмута

Рис.9 График Вейбулла для сплавов SAC205 без висмута и SAC205 с добавлением 0,1% висмута

Рис.10 График Вейбулла для сплавов SAC105 без висмута и SAC105 с добавлением 0,1% висмута

Рис.11 График Вейбулла для сплава SAC0307 и SACX

Высокоскоростные испытания на деформацию шариковых выводов (при скорости 1000 мм/сек) на компонентах CBGA84 со сферами размером 12 мил с использованием припоя SACX при разных уровнях добавок висмута показаны на рисунке 12. В дополнение к отказам в приведённом режиме 4 на рисунке точками отмечен уровень растекаемости припоя. Число отказов режима 4 уменьшается с увеличением уровня содержания висмута, при этом увеличивается уровень растекаемости припоя.

Таким образом, влияние добавок висмута на отказ реакции деформации в паяных соединениях в значительной степени зависит от сплава. Очевидное уменьшение хрупких изломов в режиме 4 наблюдается только у сплавов с низким содержанием серебра (Ag <1%). Значительные улучшения отмечаются у тех сплавов SACX (Ag = 0.3%),в которых содержание висмута составляет не более 2%.

На рисунке 12 показано, что снижение числа хрупких изломов по мере увеличения содержания висмута сопровождается также улучшением смачиваемости и растекаемости сплава.

Рис.12 Высокоскоростное испытание на деформацию с использованием сплава SACX с разными уровнями добавок висмута

Роль никеля и хрома

Никель и хром не являются распространёнными добавками к SAC-сплавам, однако, потенциальное влияние этих добавок на микроструктуру сплава и химию поверхности привлекло интерес к их изучению.

Показатели растекаемости сплава SAC105 измерялись различными уровнями добавления никеля, что показано на рисунке 13. Оптимальный уровень содержания никеля для сплава SAC105 составляет 0.05%. Растекаемость при более высоком содержании никеля ухудшается из-за образования оксидов никеля. Тем не менее, хорошая растекаемость наблюдается при увеличении уровня содержания никеля в сплаве SACX до 0.1%.

Рис.13 Растекаемость припоя из сплава SAC105

На рисунке 13 также показаны результаты теста на деформацию шарикового вывода при разных добавках никеля. Между улучшенной деформацией и растекаемостью припоя существует взаимозависимость. Содержание никеля 0.05% является оптимальным значением. То же самое подтверждается тестом на ударную нагрузку, приведенным на рисунке 14.

Результаты испытаний на удар для сплава SAC105 с содержанием никеля 0.05% и 0.5% приведены на рисунке 14. Производительность при содержании никеля 0.5% значительно ниже, чем при 0.05%. Данный вопрос обсуждается ниже с учётом интерметаллических соединений, образующихся при пайке сплавами с более высоким содержанием никеля.

Рис.14 Результаты испытаний сплава SAC10S на удар (с добавлением 0,05% и 0,5% никеля)

Рисунок 15 показывает результаты испытаний при использовании в сплаве SACX 0.1% никеля. В этом случае в испытании на удар можно заметить лишь незначительное улучшение.

Рис.15 Сравнение результатов испытаний на ударную нагрузку. (SACX без никеля и SACX с добавлением 0,1% никеля)

Добавление хрома оказывает отрицательное влияние на растекаемость припоя. Однако в сочетании с никелем можно заметить улучшение растекаемости. На рисунке 16 показано взаимодействие уровней никеля и хрома в сплаве SAC105. Несмотря на то, что данное взаимодействие довольно сильное, возможна дальнейшая оптимизация данной связи.

Рис.16 Растекаемость припоя из сплава SAC105 при добавлении никеля и хрома

Добавление никеля и хрома наиболее эффективно сказывается на механических свойствах сплавов. На указанном выше рисунке 2 показано влияние нанесенного на медное защитное покрытие содержащегося в сплаве SAC305 никеля (0.1%) на рост слоя интерметаллического соединения Cu3Sn в процессе обработки при температуре 150°С. Добавление никеля практически уменьшает вдвое образование хрупких интерметаллических соединений при испытаниях на старение паяных соединений в течение 500 часов. При этом улучшается эффективность высокоскоростного испытания на деформирование, как можно видеть ниже на графиках распределения Вейбулла и по результатам испытания на растяжение шариковых выводов.

На рисунке 17 приводится сравнение тестов на ударную нагрузку для сплава SAC105 с добавлением никеля и сплава SAC105 с добавлениями никеля и хрома.

Рис.17 Результаты испытаний сплавов на удар (SAC105 с добавлением 0,1% никеля и SAC105 с добавлением 0,1% никеля и 0,03% хрома)

На рисунке 18 показаны результаты высокоскоростного испытания на растяжение для сплава SAC105 с добавлением никеля и хрома.

Рис.18 Результаты высокоскоростных испытаний шариковых выводов на деформацию (SAC105, SAC105 с добавлением 0,1% никеля, SAC105 с добавлением 0,03% хрома и SAC105 с добавлением 0,1% никеля и 0,03% хрома)

При наличии в сплаве SAC105 0.05% никеля при высокоскоростном испытании на растяжение в режиме 4 обнаружено примерно на 30% меньше отказов по сравнению со сплавом SAC105 без добавок. Аналогичным образом добавление в состав сплава SAC105 0.1% и 0.5% никеля приводит, соответственно, к снижению примерно на 15% — 20% числа отказов по сравнению со сплавом SAC105 без добавок.

Добавление 0.03% хрома в сплав SAC105 уменьшает число дефектов примерно на 40%. Важно отметить, что между никелем и хромом по аналогии с результатами растекаемости припоя возникает синергический эффект. Значительное улучшение качества паяных соединений обеспечивает уже одно только добавление хрома (0.03%),а добавление в сплав никеля (0.1%) приводит к снижению количества хрупких изломов при испытаниях в вышеупомянутом режиме 4. Коллективный эффект от добавления никеля и хрома значительнее, чем сумма индивидуальных эффектов.

Роль германия, индия и никеля

По разным причинам германий с никелем не являются самыми распространёнными добавками к бессвинцовым припоям. Оба элемента дорогостоящие при том, что германий слабо растворяется при взаимодействии с оловом. Тем не менее, индий обладает хорошим свойством как компенсатор диффузии, а германий может улучшить структуру поверхности. Несмотря на то, что значительные улучшения растекаемости и смачиваемости припоя при добавлении германия и индия не выявлены, тем не менее, в ходе испытаний на деформацию и удар удалось определить некоторые улучшения. Графики 19 и 20 объединяют полученные данные.

Как показано на графике 19, при высокоскоростном испытании на деформирование шарикового вывода сплава SACX с содержанием никеля 0.05% выявлено примерно на 50% меньше отказов, чем у немодифицированного сплава SACX. В то же самое время добавление 0.05% германия увеличивает этот показатель более чем на 50%. Добавление 0.05% индия снижает число отказов приблизительно на 30%, в то время как результаты испытаний при наличии 0.5% никеля показывают неизменное по сравнению с немодифицированным сплавом SACX число дефектов.

Рис.19 Высокоскоростные испытания шариковых выводов на деформацию (сплав SACX с различными добавками)

Интересно, что в отличие от SACX добавление 0.05% германия в сплав SAC105 уменьшает на 20% число вероятных отказов при высокоскоростном испытании на расстяжение.

На рисунке 20 показаны результаты сравнения испытания на удар для сплава SACX с добавлением германия, никеля и индия.

Рис.20 Сравнение результатов испытаний на удар (SACX с добавлением никеля, германия и индия)

Устойчивость к потускнению

На рисунке 21 показано изменение цвета сферы в результате термообработки. Испытания проводились сначала в течение 12 часов при температуре 125°С, затем в течение 168 часов при температуре 85°С и относительной влажности 85%. После этого следовало три цикла оплавления при температуре 255°С, включая 30 секунд оплавления свыше 217°С. Сферы основного сплава SAC305 без обработки поверхности приняли коричневатый оттенок. Добавление небольшого количества (~50 мкг/г) фосфора устраняет проблему, однако сферы по-прежнему принимают желтоватый оттенок. Окончательно избавиться от дефекта помогает добавление в сплав SAC305 хрома. Следует также отметить, что добавление никеля также обеспечивает хорошую защиту от потускнения.

Рис.21 Влияние добавок на устойчивость сфер к потускнению (Термообработка в течение 12 часов при температуре 125°С; 168 часов при OB 85% и температуре 85°С; оплавление в воздушной среде при температуре 255°С)

Исследование

Эффект от добавления висмута

Результат добавления в бессвинцовые сплавы висмута рассматривается во многих исследованиях. Наличие висмута может как снизить температуру солидуса, улучшить прочность паяных соединений посредством дисперсионного уплотнения, так и замедлить образование больших интерметаллических соединений Ag3Sn в основном припое [11]. Результаты испытаний также показывают распределение висмута к границе между медным покрытием и интерметаллическими соединениями [12]. Несмотря на замедление роста интерметаллических соединений возможно образование хрупких изломов.

Результаты этой работы показывают существенное влияние висмута. Так, в частности, добавление до 2% висмута в SAC-сплавы улучшает смачивание и растекаемость сплава. Растекаемость сплава улучшается при последующем добавлении 0.005 — 0.05% висмута. Хорошие свойства растекаемости можно объяснить поверхностной сегрегацией микросплавных добавок. Так как висмут не образует интерметаллического соединения с медью, то высокая концентрация висмута на границе между припоем и медной подложкой способствует лучшей растекаемости сплава. То же самое можно сказать и про другие переходные металлы, которые неохотно образуют интерметаллические фазы при взаимодействии с медью при нормальных температурах пайки.

Роль висмута в отказах при высокоскоростных испытаниях деформации зависит от сплава. Добавление висмута в сплавы с высоким содержанием серебра, например, в сплав SAC305, снижает прочность при воздействии ударных нагрузок, см. рис. 8. С уменьшением содержания серебра вероятность проявления негативного эффекта снижается. Добавление висмута в сплав SACX (0.3% серебра) увеличивает стойкость соединений к растяжению и воздействию ударной нагрузки, что показано на рисунках 8-11.

По результатам испытаний Д. Шан [13] указывает на то, что добавление висмута замедляет рост интерметаллического соединения и может служить границей между медью и интерметаллическим соединением. Так как сплав с высоким содержанием серебра переносит напряжение к границе интерметаллического соединения, то качество паяного соединения при добавлении висмута значительно не улучшается.

И наоборот, благодаря более низкому модулю у SAC-сплавов с низким содержанием серебра поддерживается необходимый уровень интерметаллических соединений при добавлении висмута без риска образования хрупких изломов. SAC105 (1% серебра) является промежуточным звеном между отрицательным и положительным влиянием висмута на высокоскоростное испытание на растяжение.

Эффект от добавления никеля и хрома

Эффект от добавления небольшого количества никеля в SAC-сплавы описывается несколькими авторами, например, Пером-Эриком Тэгехоллом [14]. Одновременно с увеличением хрупкости у Cu6Sn5 наличие никеля также замедляет рост интерметаллических соединений при термической обработке (150°С) , как показано на рисунке 2.

В нашем испытании никель оказывает сильное влияние на рост интерметаллического соединения, и при добавлении 0.05% уменьшается на треть число отказов у сплава SAC105 при растяжении шариковых выводов в вышеприведённом режиме 4. Для сплава SACX этот показатель снижается вдвое. Более высокие уровни содержания никеля менее эффективны при испытаниях на растяжение несмотря на более высокую скорость роста интерметаллических соединений при пайке [15].

Наряду с увеличением скорости деформирования никель обладает двумя другими преимуществами. При оптимальном уровне добавления (~0.05%) SAC-сплавы с никелем отличаются улучшенной растекаемостью припоя, как показано на рисунке 13. Кроме этого, никель также обеспечивает значительное улучшение стойкости к потускнению, что необходимо учитывать при монтаже корпусов типа BGA и CSP.

Хром не растворяется при контакте с оловом, поэтому довольно сложно добиться оптимального результата при добавлении хрома в сплавы SAC. В данном исследовании нашей целью был поиск возможности снижения значения модуля или абсолютной величины деформации припоя наряду с увеличением стойкости к потускнению. При малой скорости деформирования шарикового вывода при использовании SAC-сплава с добавлением 0.03% хрома заметно снижение предела прочности на разрыв по сравнению со сплавом без микродобавок. Мы можем рассматривать это как эффект сплавления хрома. Хром сплавляется через компонент меди в припое, ограничивая при этом образование интерметаллического соединения Cu6Sn5 в припое. Кроме этого, при высокоскоростном испытании на деформирование число отказов у сплава SAC105 с содержанием 0.03% хрома снижается примерно на 40%, как показано на рисунке 18.

Однако самым значительным открытием является обнаружение того, что хром при взаимодействии с никелем способствуют уменьшению образования дефектов (режим 4) более чем на 80%. Результаты испытаний на удар воспроизведены на рисунке 17.

Эффект от добавления германия в SAC-сплавы

Влияние содержания германия в сплавах изучено на предмет улучшенных коррозионных характеристик в сочетании с улучшениями механических свойств. Результаты высокоскоростного испытания на растяжение при добавлении только 0.05% германия менее успешны, чем ожидалось. Так, например, число отказов при использовании германия в сплаве SACX возросло на одну треть.

Эффект от добавления индия в SAC-сплавы

В качестве добавки к SAC-сплавам индий снижает вероятность образования пор Киркендалла, но слабо влияет на рост интерметаллического соединения Cu3Sn [16]. Роль индия как «компенсатора» диффузии подкреплена созданием компанией Cookson оловянно-цинковых бессвинцовых сплавов. В то же самое время М. Амагаи [16] и другие специалисты полагают, что наличие индия в SAC-сплавах эффективно влияет на снижение дефектов растяжения шариковых выводов. Что же касается сплавов SACX, то качество паяных соединений можно улучшить только при добавлении индия к никелю или к составному сплаву никель+хром. Следует отметить также, что в настоящее время для поддержки представленных в данном исследовании феноменологических данных специалистами проводится подробный анализ причин возникновения отказов, изучается кинетика роста интерметаллического соединения для сплавов с микродобавками индия, а также определяется эволюция сплавов и их промежуточных микроструктур.

Заключение

Высокоскоростное испытание семейства бессвинцовых сплавов SAC c микросплавными добавками на деформирование проведено для определения пригодности сплавов к сборке корпусов типа BGA и CSP. Результаты проведенных высокоскоростных испытаний на растяжение шариковых выводов не только соответствуют стандартным результатам испытаний на ударную прочность промышленных стандартов, но и также демонстрируют значительное улучшение прочности соединений по сравнению с немодифицированными SAC-сплавами.

По результатам испытаний сделаны следующие заключения:

1. SAC-сплавы с низким содержанием серебра более устойчивы к деформированию при ударных нагрузках.
2. Ряд микросплавных добавок улучшает ударную прочность соединений, в особенности сочетание никель+хром обеспечивает соединению хорошую ударопрочность и устойчивость к потускнению.
3. Добавление висмута и никеля улучшает на 20% растекаемость припоя на органическом защитном покрытии из меди. Улучшение поддерживается и для комбинации висмут+никель+хром.
4. Наилучшая комбинация свойств наблюдается при использовании модифицированных сплавов SAC105 и SACX с добавлением 0.05% никеля и 0.03% хрома.
5. При использовании в сплавах с низким содержанием серебра (Ag <1%) висмут улучшает стойкость к ударным нагрузкам и характеристики деформации. При высоком содержании серебра в SAC-сплавах добавление висмута отрицательно влияет на деформацию.
6. Незначительные добавки индия снижают на 30% число отказов в ходе высокоскоростных испытаний на растяжение у всех SAC-сплавов. Добавление индия в SAC-сплавы не влияет на растекаемость и смачивание сплавов.

Извините, по вашему запросу ничего не найдено.

Пожалуйста, оформите форму заявки на подбор элементов. Наш менеджер свяжется с вами и предложит наиболее подходящий вариант.