Zuverlässigkeitsvergleich zwischen bleihaltigen und bleifreien Lötverbindungen

Auswirkung der inneren mikroskopischen Struktur von Lötverbindungen auf die Zuverlässigkeit

Die mikroskopische Struktur der inneren Lötverbindungen und die IMC‑Struktur (intermetallische Verbindung) an der Grenzfläche zwischen Lot und Leiterplattenbasis bestimmen die mechanischen Eigenschaften der Lötstellen. Lötverfahren und die anschließende Alterung der festen Phase bestimmen zusammen mit thermischen Zyklen die ursprüngliche mikroskopische Struktur und deren Entwicklung. Eine optimale intermetallische Verbindung (IMC) soll an der Grenzfläche erzeugt werden, um Benetzung und metallurgische Verbindung zu realisieren, sodass eine zufriedenstellende Festigkeit und Zuverlässigkeit der Lötstellen erreicht werden kann. Die innere mikroskopische Struktur der Lötstellen zeigt die Mikrocharakteristika des Materials, und verfügbare Mikroskope und Technologien können genutzt werden, um diese Informationen zu gewinnen.

• Lötstellen mit Bleianteil

Bei SnPb besteht seine Mikrostruktur aus einer Sn-reichen Phase und einer Pb-reichen Phase.

• Bleifreie Lötverbindungen

In SAC-Legierungen ist die metallurgische Reaktion zwischen Sn und den sekundären Elementen Ag und Cu das entscheidende Element, das ihre Anwendungstemperatur, den Aushärtungsmechanismus und die mechanischen Eigenschaften bestimmt.

Gemäß dem binären Phasendiagramm sind zwischen den oben genannten drei Elementtypen drei Arten binärer eutektischer Reaktionen möglich:
a). Die Reaktion zwischen Ag und Sn findet bei einer Temperatur von 221 °C mit einer eutektischen Struktur in der Sn-Grundphase und der ε-IMC (Ag statt.₃Sn)-Phase gebildet.
b). Die Reaktion zwischen Cu und Sn findet bei einer Temperatur von 227 °C mit einer eutektischen Struktur in der Sn-Grundphase und der η-IMC (Cu statt.₆Sn₅) Phase gebildet.
c). Die Reaktion zwischen Ag und Cu findet ebenfalls bei einer Temperatur von 779 °C statt, wobei eine eutektische Legierung aus Ag-reicher α-Phase und Cu-reicher α-Phase gebildet wird.

Die Materialbestandteile bestimmen die mikroskopische Struktur, die wiederum den Versagensmodus festlegt. Während der Anwendung von Produkten begünstigt die mikroskopische Struktur die Bildung feiner Ablagerungen. Partikeldispersion, gleichmäßige Verteilung und Granulation sind vorteilhaft für die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit. Die Ermüdungslebensdauer wird jedoch verringert, wenn sich saure und spröde Phasen sowie übermäßige Hohlräume bilden und Spannungen konzentrieren. Die gleichmäßige Verteilung der plastischen Verformung in einem kleinen Bereich durch Kontrolle der mikroskopischen Struktur ist eine wirksame Maßnahme zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit.

Auswirkung der mikroskopischen Struktur der Grenzflächen-IMC von Lötverbindungen auf die Zuverlässigkeit

• Mikroskopische Struktur der intermetallischen Verbindungen an der Grenzfläche

a). Form und Gestalt

Schicht η- Cu₆Sn₅enthält drei Arten von Formen und Figuren:
1). Raue Zellschicht. Sie weist einen Abschnittsbereich auf, der Dendriten enthält, zwischen denen so viel Raum vorhanden ist, dass eine raue, mit dem Lot in Kontakt stehende Grenzfläche entsteht, die keine kompakte Struktur bildet.
2). Kompakte Schicht auf gewellter Grenzfläche. Ähnlich wie dendritische Kristallpartikel weist diese Schicht eine ähnliche Form auf, besteht jedoch aus einer kompakten chemischen Verbindung. Die Grenzfläche, die mit dem Lot in Kontakt steht, hat eine muschelförmige Gestalt.
3). Kompakte Schicht auf flacher Grenzfläche. Mit steigendem Pb-Gehalt, höherer Temperatur und längerer Reaktionszeit beginnt sich die Form und Struktur der η-Schicht von einer rauen zellulären Schicht zu einer kompakten Schicht auf einer gewellten Grenzfläche zu verändern.

b). Beeinflussende Elemente

1). Eine hohe Abkühlgeschwindigkeit führt zur Bildung einer flachen η-Phasenschicht, während eine niedrige Abkühlgeschwindigkeit zur Bildung einer klein-tumorartigen η-Phasenschicht führt.
2). Kurze Reflow-Lötzeiten führen zu einer flachen η-Phasenschicht, während lange Reflow-Lötzeiten zu einer klein-tumorösen oder gekerbten (scalloped) η-Phasenschicht führen.

c). Abziehen

Die IMC, die ursprünglich zwischen Pad und flüssigem Lot entsteht, kann sich mit zunehmender Reflow-Lötzeit oder steigender Anzahl von Reflow-Lötvorgängen manchmal von der Grenzfläche ablösen. Dieses Phänomen steht in der Regel im Zusammenhang mit Ni. Beispielsweise tritt es häufiger auf der Ni-Beschichtungsschicht von ENIG auf.
1). Die IMC löst sich an der Grenzfläche der ENIG-Nickelplattierungsschicht bei unterschiedlichem Phosphorgehalt ab. Das Ablösen wird durch die Erhöhung des Phosphorgehalts und die Verlängerung der Reflow-Lötzeit bestimmt.
2). Nachdem einige bleifreie Lote (Sn3.5Ag, Sn3.5Ag3.0Bi und SAC387) und einige Arten von plattierten Grundwerkstoffen [Cu, Ni(P)/Au und Ni(P)Pd/Au] für 20 Minuten beim Temperaturbereich unter 250 °C einem Reflow-Lötprozess unterzogen wurden, werden die Grenzflächen-IMC und die meisten IMC-Schichten, die sich mit den ersten beiden Lottypen gebildet haben, von der Grenzfläche ablösen oder abplatzen, sodass nur eine dünne IMC-Schicht an der Grenzfläche verbleibt. Bei SAC387 auf [Ni(P)/Au- und Ni(P)/Pd/Au]-Grundwerkstoffen handelt es sich bei der IMC um (Cu, Ni)₆Sn₅kann gut mit der Schnittstelle verbunden werden. Was jedoch die plattierte Ni-Basis betrifft, können drei Arten bleifreier Lote gut mit Ni verbunden werden₃Su₄IMC.

d). Einfluss von Au auf die IMC zwischen SAC-Lot und Cu-Basis

Die von Cu und SAC-Lot gebildeten IMC wirken wie Kieselsteine. Nachdem 0,1 bis 5 Gew.-% Au zu SAC387 hinzugefügt wurden, enthält die bei 204,5 °C erzeugte eutektische Phase 4 Bestandteile (AuSn₄, Au₃Sn, β-Sn und Cu₆Sn₅). Wenn sich die ternäre Metallverbindung Au-Cu-Sn bildet, fließt der größte Teil des Au im Lot aus und wandert zur Grenzfläche. Bei der Grenzflächenreaktion wird die Beteiligung von Au von einer gewöhnlichen, muschelförmigen Struktur zu einem Verbundtyp umgewandelt, der aus (Au, Cu) besteht.₆Sn₅Kristallpartikel und inselartig geformtes β-Sn mit hervorragender Verteilung.

• Wachstum der intermetallischen Phasenschicht an der Grenzfläche

Das Wachstum der IMC-Schicht an der Grenzfläche hat einen äußerst großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen. Es wurde untersucht, dass es keine festen Gesetzmäßigkeiten zwischen der IMC-Dicke und der Zeit gibt. Die Kondensation in der flüssigen Phase stoppt das Wachstum der IMC und führt zu ungleichmäßigem Wachstum.

Was Bauteile mit bleibeschichteten Pins betrifft, besteht eine grobe lineare Verhältnisbeziehung zwischen dem Wachstum der IMC und der Quadratwurzel der Zeit, was als mit der Diffusionsregel vereinbar angesehen werden kann. Für Bauteile, deren Pins jedoch mit SnPb beschichtet sind, weist das IMC‑Wachstum mit SAC‑Lot hingegen einen deutlichen Trend auf.

• Elementverteilung an der Lötstellenoberfläche

Basierend auf den Auswirkungen von hohen und niedrigen Temperaturen sowie dem Hochtemperaturtest ist zu erkennen, dass bei Ag eine leichte Abnahme auftritt₃Sn-Netzstruktur während des Hochtemperaturtests, und es tritt eine deutliche Veränderung hin zu körnigem Ag auf₃Die Sn-Phase wird nicht durch die Lötfestigkeit beeinflusst. Hohe Temperaturen werden eingesetzt, um einen Test zur beschleunigten Ausbildung der Grenzflächenlegierungsschicht durchzuführen. Bei Bauteilen, deren Pins mit Blei plattiert sind, tritt tatsächlich eine grob lineare Verhältnisbeziehung zwischen dem Legierungswachstum und der Quadratwurzel der Zeit auf. Das Wachstum erfolgt mit einer bestimmten, streuungskontrollierten Rate. Dennoch kann die gebildete chemische Verbindung die Festigkeit der Lötstellen sowohl bei Hoch-/Niedertemperatur-Wechseltests als auch bei Hochtemperaturtests eindeutig verringern.

Bleifreie Lötverbindungen weisen eine höhere Härte und Festigkeit als SnPb-Lötverbindungen sowie eine geringere Verformung auf, was jedoch nicht auf eine hohe Zuverlässigkeit bleifreier Lötverbindungen hinweist. Da bleifreie Lotlegierungen eine schlechtere Benetzbarkeit aufweisen, treten häufiger Defekte wie Hohlräume, Versatz und Tombstoning auf, und die Hohlraumgröße neigt dazu, größer zu werden.

• Sprödigkeit und ihr Mechanismus

1). Zwischen der plattierten Ni(P)-Schicht und dem SnPb-Lot findet eine langfristige Reaktion statt, bei der sich Kirkendall-Hohlräume an der Ni-Oberfläche bilden. Wenn dem Lot verfügbares Kupfer zugeführt wird, wird die Sprödigkeit komplexer. Ternäre Metallverbindung (Cu, Ni)₆Sn₅lagert sich auf Ni ab₃Sn₄an der Ni-Oberfläche gebildet, werden Hohlräume auf Ni entstehen₃Sn₄/(Cu, Ni)₆Sn₅zum Zeitpunkt des Alterns. Ähnliche Probleme treten auch auf, wenn SAC-Lot zur Verbindung mit Ni verwendet wird, da diese Art von Lotlegierung eine Kupferquelle enthält.

2). Black Pad ist ein einzigartiges Phänomen, das mit Sprödigkeit in großem Umfang in Verbindung gebracht wird, was insbesondere für ENIG Ni/Au gilt. Deutliche Sprödigkeit tritt am Pad oder in dessen Umgebung aufgrund unzureichender Lötbarkeit der Ni(P)-Oberfläche auf, was schließlich die mechanische Ermüdungsfestigkeit verringert. Black Pad steht im Zusammenhang mit dem Auftreten von Rissen in Lötverbindungen. Wie auch immer, die schädliche Black-Pad-Wirkung hängt mit einer weiteren Form von Sprödigkeit zusammen, bei der sich die optimale Metalllegierungsstruktur im Laufe der Zeit verschlechtert.

3). SAC-Lot spielt eine wichtigere Rolle als SnPb-Lot während des Black-Pad-Effekts und des Alterungsprozesses, wenn die IMC-Struktur auf einem ENIG-Ni/Au-Pad spröde wird. Beim bleifreien Löten sollten Sprödigkeitsprozesse infolge der Verdickung von Au in der Ni/Au-Beschichtung vermieden oder verringert werden.

4). Selbst der gewöhnlichste thermische Zyklus erfordert in der Regel, dass Lötverbindungen in der Lage sind, die Kriechbelastung auszuhalten, die in jedem thermischen Zyklus entsteht. Dementsprechend muss die Struktur der IMC auf dem Pad der durch das Kriechen des Lots verursachten Belastung standhalten. Bei äußerer mechanischer Belastung, insbesondere derjenigen, die durch mechanische Stöße des Systems hervorgerufen wird, ist das Kriechen des Lots in der Regel sehr stark, weil die durch Kriechen verursachte Verformung an den Lötstellen zu groß ist. Infolgedessen werden, selbst wenn die IMC-Struktur im thermischen Zyklus der Belastung vollständig standhalten kann, die schwächsten Verbindungen dennoch während Scher- oder Zugversuchen erzeugt.

5). Au, das im Reflow-Lötprozess mit SnPb-Lot hinzugefügt wurde, wird im späteren Alterungsprozess allmählich an die Ni-Oberfläche zurückkehren, was zu (Ni, Au) führt₃Sn₄auf Ni anzusammeln₃Sn₄IMC. Die so erzeugte Grenzfläche ist instabil und wird sich mit der Verbesserung von (Ni, Au) verringern.₃Sn₄Dicke.

• Schaden der Alterung in der festen Phase auf die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen

Die Alterung in der festen Phase kann möglicherweise dazu führen, dass die intermetallische Verbindung an der Grenzfläche dicker wird und ihre Form sich von einer gewellten zu einer flachen, gleichmäßigen Schicht verändert. Während der Alterung in der festen Phase werden übermäßige intermetallische Verbindungen an der Grenzfläche gebildet, wobei es zu einer Segregation einiger chemischer Elemente kommt, die nicht am Bildungsprozess der intermetallischen Verbindung teilnehmen. Da der Kirkendall-Effekt während der Bildung der intermetallischen Verbindung zu einer Verringerung der Materialdichte führt, erzeugt eine übermäßige Alterung in der festen Phase zu viele Hohlräume an der Lötstellen-/Pad-Grenzfläche.

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