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Comparación de la fiabilidad entre uniones de soldadura con plomo y sin plomo
La estructura microscópica de las uniones de soldadura internas y la estructura del IMC (compuesto intermetálico) en la interfaz entre la soldadura y la base de la PCB determinan las propiedades mecánicas de las uniones de soldadura. Las técnicas de soldadura y el posterior envejecimiento en fase sólida, junto con el ciclo térmico, determinan además la estructura microscópica original y su evolución. Se espera que se genere un IMC óptimo en la interfaz para lograr el mojado y la interconexión metalúrgica, de modo que se pueda alcanzar una resistencia y fiabilidad satisfactorias de la unión de soldadura. La estructura microscópica interna de las uniones de soldadura muestra las microcaracterísticas del material, y se pueden utilizar los microscopios y tecnologías disponibles para obtener dicha información.
• Uniones de soldadura con plomo
Cuando se trata de SnPb, su microestructura está compuesta por una fase rica en Sn y una fase rica en Pb.
• Uniones de soldadura sin plomo
En la aleación SAC, la reacción metalúrgica entre el Sn y los elementos secundarios Ag y Cu es el factor principal que determina su temperatura de aplicación, mecanismo de curado y comportamiento mecánico.
De acuerdo con la figura de fase binaria, existen tres tipos de reacciones eutécticas binarias disponibles entre los tres tipos de elementos mencionados anteriormente:
a). La reacción entre Ag y Sn tiene lugar a una temperatura de 221 °C con una estructura eutéctica en la fase base de Sn y el IMC ε (Ag3Se formó la fase Sn).
b). La reacción entre Cu y Sn tiene lugar a una temperatura de 227°C con estructura eutéctica en la fase base de Sn y la IMC η (Cu6Sn5) fase formada.
c). La reacción entre Ag y Cu también tiene lugar a una temperatura de 779 °C, formándose una aleación eutéctica compuesta por una fase α rica en Ag y una fase α rica en Cu.
El ingrediente del material determina la estructura microscópica, que a su vez determina el modo de falla. Durante la aplicación de los productos, la estructura microscópica favorece la generación de pequeños sedimentos. La dispersión de partículas, su distribución uniforme y la granulación son beneficiosas para mejorar la resistencia a la fatiga. Sin embargo, la vida a fatiga se reducirá cuando aparezcan fases ácido-formes y frágiles, cavidades excesivas y concentración de tensiones. La mejora de la distribución uniforme de la deformación plástica dentro de un rango reducido mediante el control de la estructura microscópica es una medida eficaz para aumentar la resistencia a la fatiga.
Influencia de la estructura microscópica del IMC en la interfaz de las uniones de soldadura sobre la fiabilidad
• Estructura microscópica de la IMC de interfaz
a). Forma y Figura
Capa η- Cu6Sn5presenta tres tipos de formas y figuras:
1). Capa celular rugosa. Presenta una zona de sección que contiene dendritas entre las cuales hay un espacio tan grande que se obtiene una interfaz rugosa en contacto con la soldadura, la cual no constituye una estructura compacta.
2). Capa compacta sobre interfaz festoneada. Similar a las partículas cristalinas dendríticas, esta capa presenta una forma similar pero con un compuesto químico compacto. La interfaz en contacto con la soldadura tiene una forma festoneada.
3). Capa compacta sobre interfaz plana. A medida que aumentan el contenido de Pb, la temperatura y el tiempo de reacción, la forma y la figura de la capa η comienzan a transformarse de una capa celular rugosa a una capa compacta sobre una interfaz festoneada.
b). Elementos que afectan
1). Una alta velocidad de enfriamiento dará lugar a la formación de una capa plana de fase η, mientras que una baja velocidad de enfriamiento dará lugar a una capa de fase η de pequeños tumores.
2). Un tiempo corto de soldadura por refusión conduce a una capa de fase η plana, mientras que un tiempo largo de soldadura por refusión produce una capa de fase η con pequeños tumores o festoneada.
c). Pelar
El IMC que se genera originalmente entre la almohadilla y la soldadura líquida a veces se separa de la interfaz a medida que aumentan el tiempo de refusión o el número de ciclos de refusión. Este fenómeno suele estar relacionado con el Ni. Por ejemplo, tiende a ocurrir con mayor frecuencia en la capa de niquelado del ENIG.
1). La IMC sufre desprendimiento en la interfaz de la capa de niquelado ENIG Ni con diferentes contenidos de fósforo. El desprendimiento está determinado por el aumento del contenido de fósforo y la prolongación del tiempo de soldadura por refusión.
2). Después de que algunas soldaduras sin plomo (Sn3.5Ag, Sn3.5Ag3.0Bi y SAC387) y algunos tipos de bases metalizadas [Cu, Ni(P)/Au y Ni(P)Pd/Au] pasan por el proceso de soldadura por refusión durante 20 minutos a una temperatura inferior a 250°C, el IMC de la interfaz y la mayoría de las capas de IMC formadas con los dos primeros tipos de soldaduras se desviarán o se despegarán de la interfaz, quedando solo una fina capa de IMC en la interfaz. En cuanto a la SAC387 sobre la base [Ni(P)/Au y Ni(P)/Pd/Au], el IMC de (Cu, Ni)6Sn5puede conectarse bien con la interfaz. sin embargo, en lo que respecta a la base de Ni chapada, tres tipos de soldaduras sin plomo pueden conectarse bien con el Ni3Su4IMC.
d). Efecto del Au en el IMC entre la soldadura SAC y la base de Cu
El IMC formado por Cu y la soldadura SAC actúa como guijarros. Después de añadir de 0,1 a 5 % en peso de Au a SAC387, la fase eutéctica generada a la temperatura de 204,5 °C contiene 4 compuestos (AuSn4, Au3Sn, β-Sn y Cu6Sn5). A medida que se genera el compuesto metálico ternario Au-Cu-Sn, la mayor parte del Au en la soldadura fluirá hacia afuera y se desplazará hacia la interfaz. En la reacción de interfaz, la participación del Au se transformará de un tipo ordinario festoneado a un tipo de compuesto que está compuesto por (Au, Cu)6Sn5partículas cristalinas y β-Sn en forma de isla con una excelente distribución.
• Crecimiento de la capa IMC de interfaz
El crecimiento de la capa de IMC en la interfaz ejerce una influencia extremadamente grande en la fiabilidad de las uniones de soldadura. Se ha estudiado que no existen reglas vigentes entre el espesor del IMC y el tiempo. La condensación en fase líquida detiene el crecimiento del IMC, lo que conduce a un crecimiento desigual.
En cuanto a los componentes con plomo chapado en las patillas, existe una relación lineal aproximada entre el crecimiento del IMC y la raíz cuadrada del tiempo, que puede considerarse compatible con la regla de difusión. Sin embargo, para los componentes cuyas patillas están chapadas con SnPb, el crecimiento del IMC de la soldadura SAC presenta una tendencia evidente.
• Distribución de elementos en la interfaz de la unión de soldadura
Basado en el impacto de altas y bajas temperaturas y en la prueba a alta temperatura, se puede observar que se produce una ligera reducción en Ag3Estructura de red de Sn durante la prueba a alta temperatura y se produce un cambio evidente hacia Ag granular3La fase de Sn sin que se vea afectada la resistencia de soldadura. Se utiliza alta temperatura para llevar a cabo la prueba de crecimiento acelerado de la capa de aleación en la interfaz. Para los componentes cuyos pines están chapados con plomo, sí se presenta una relación aproximadamente lineal entre el crecimiento de la aleación y la raíz cuadrada del tiempo. El crecimiento tiene lugar bajo una determinada velocidad de control por difusión. No obstante, el compuesto químico formado puede reducir de forma significativa la resistencia de las uniones de soldadura tanto en las pruebas de impacto de alta y baja temperatura como en las pruebas a alta temperatura.
Las uniones de soldadura sin plomo presentan mayor dureza y resistencia que las uniones de soldadura SnPb y una deformación menor, lo cual no implica una alta fiabilidad de las uniones de soldadura sin plomo. Debido a que la aleación de soldadura sin plomo presenta peor humectabilidad, tienden a producirse más defectos, como cavidades, desplazamientos y efecto “tumba”, y el tamaño de las cavidades tiende a aumentar.
• Fragilidad y su mecanismo
1). Entre la capa de Ni(P) chapado y la soldadura SnPb, se producirá una reacción de larga duración con cavidades de Kirkendall generadas alrededor de la superficie de Ni. Cuando se suministra cobre disponible a la soldadura, la fragilidad se volverá más compleja. Compuesto metálico ternario (Cu, Ni)6Sn5se acumula sobre Ni3Sn4formadas en la superficie de Ni, se generarán cavidades en el Ni3Sn4(Cu, Ni)6Sn5en el momento del envejecimiento. Problemas similares también ocurrirán cuando se utilice soldadura SAC para conectar con Ni, porque este tipo de aleación de soldadura contiene una fuente de cobre.
2). La “black pad” es un fenómeno único relacionado con la fragilidad ampliamente reconocido, especialmente en el caso del acabado ENIG Ni/Au. Se produce una fragilidad evidente en la almohadilla o alrededor de ella debido a la soldabilidad insuficiente de la superficie de Ni(P), lo que finalmente reduce la resistencia a la fatiga mecánica. La “black pad” está relacionada con el fenómeno de las grietas en las uniones de soldadura. En cualquier caso, el efecto perjudicial de la “black pad” está asociado con otra forma de fragilidad, ya que la estructura óptima de la aleación metálica se degrada con el paso del tiempo.
3). La soldadura SAC desempeña un papel más importante que la soldadura SnPb durante el efecto de “black pad” y el proceso de envejecimiento cuando la estructura de la IMC sufre fragilidad en la almohadilla ENIG Ni/Au. La soldadura sin plomo debe evitar o reducir los procesos de fragilidad como resultado del engrosamiento del Au en el recubrimiento Ni/Au.
4). Incluso el ciclo térmico más común suele requerir que las uniones de soldadura sean capaces de soportar la carga de fluencia generada en cada ciclo térmico. En consecuencia, la estructura del IMC sobre la almohadilla tiene que soportar la carga provocada por la fluencia de la soldadura. Bajo carga mecánica externa, especialmente la generada por el impacto mecánico del sistema, la fluencia de la soldadura suele ser muy alta porque la deformación producida por fluencia en las uniones de soldadura es demasiado grande. Como resultado, incluso si la estructura del IMC es plenamente capaz de resistir en el ciclo térmico, también se generarán las conexiones más frágiles durante las pruebas de fuerza de corte o de tracción.
5). El Au con soldadura SnPb añadida en el proceso de soldadura por refusión regresará gradualmente a la superficie de Ni en el posterior proceso de envejecimiento, dando lugar a (Ni, Au)3Sn4acumularse sobre Ni3Sn4IMC. La interfaz generada de esta manera es inestable y disminuirá con la mejora de (Ni, Au)3Sn4grosor.
• Daño del envejecimiento en fase sólida en la fiabilidad de las uniones de soldadura
El envejecimiento en fase sólida quizás haga que el IMC de la interfaz se vuelva más grueso y que su forma cambie de festoneada a una capa plana y uniforme. Durante el envejecimiento en fase sólida, se generan IMC interfaciales excesivos con cierta segregación de elementos químicos que no participan en el proceso de formación del IMC. Dado que el efecto Kirkendall provoca una disminución de la densidad del material durante el proceso de generación del IMC, un envejecimiento excesivo en fase sólida producirá demasiadas cavidades en la interfaz soldadura/almohadilla.
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