La progressiva riduzione delle dimensioni dei giunti di saldatura nei dispositivi microelettronici li porta a sopportare carichi meccanici, elettrici e termodinamici sempre maggiori, mentre aumentano al contempo i requisiti in termini di affidabilità. Le tecnologie di packaging elettronico, tra cui SMT (Surface Mount Technology), CSP (Chip-Scale Package) e BGA (Ball Grid Array), devono realizzare un collegamento elettrico e una connessione meccanica rigida tra materiali diversi tramite giunti di saldatura, cosicché la qualità e l’affidabilità del collegamento determinano la qualità e l’affidabilità dei prodotti elettronici. Il guasto anche di un solo giunto di saldatura può causare il completo malfunzionamento dei prodotti elettronici. Pertanto, come garantire la qualità dei giunti di saldatura è una questione estremamente essenziale per i moderni prodotti elettronici.
La tradizionale saldatura SnPb contiene Pb (piombo) che, insieme ai composti chimici del piombo, è una sostanza altamente tossica al punto che il loro impiego a lungo termine arrecherà danni estremi alla vita delle persone e all’ambiente. Fino ad ora, la saldatura senza piombo sta costantemente sostituendo la saldatura al piombo per i suoi meriti in termini di tutela ambientale. Tuttavia, la produzione senza piombo differisce dalla produzione con piombo inProcesso di assemblaggio di PCB (Printed Circuit Board Assembly)con parametri modificati. Pertanto, è di grande importanza comprendere appieno il confronto tra il processo di produzione di saldatura al piombo e quello di saldatura senza piombo nel PCBA, in modo che le prestazioni e le funzioni dei prodotti elettronici non vengano compromesse dalle preoccupazioni ambientali.
Confronto delle proprietà tra saldatura senza piombo e saldatura al piombo
• La saldatura senza piombo presenta un punto di fusione più elevato rispetto alla saldatura al piombo.
a. Il punto di fusione della tradizionale lega eutettica di stagno-piombo (Sn37Pb) è 183°C.
b.Punto di fusione della lega saldante eutettica senza piombo(SAC387) è 217°C.
Poiché la lega saldante eutettica senza piombo (SAC387) presenta un punto di fusione superiore di 34°C rispetto alla tradizionale lega saldante eutettica al piombo (Sn37Pb), la conseguenza è:
1). L’aumento successivo della temperatura fa sì che la saldatura si ossidi facilmente, con composti chimici che crescono rapidamente tra i metalli.
2). Alcuni componenti, come quelli con package in plastica o i condensatori elettrolitici, tendono a essere più influenzati dalla temperatura di saldatura rispetto ad altri elementi.
3). La lega SAC apporterà una sollecitazione maggiore ai componenti, così che i componenti con una costante dielettrica bassa saranno più soggetti a guasti.
4). Numerosi tipi di superfici di saldatura sono disponibili sulla superficie di saldatura senza piombo dei componenti. L’uso dello stagno nella saldatura è più diffuso grazie al suo basso costo. Tuttavia, tende a generarsi un sottile strato di ossidazione sulla superficie dello stagno. Inoltre, è possibile che si creino tensioni dopo la galvanizzazione. Di conseguenza, tendono a formarsi i “tin whisker” (barbe di stagno).
• La saldatura senza piombo presenta una bagnabilità peggiore rispetto alla saldatura al piombo.
Rispetto alla saldatura al piombo, la saldatura senza piombo presenta una bagnabilità evidentemente inferiore. Una scarsa bagnabilità tende a rendere i giunti di saldatura troppo poco performanti per soddisfare i requisiti in termini di capacità di autocorrezione, resistenza a trazione e resistenza a taglio. Una scarsa bagnabilità può portare a un tasso di scarto più elevato dei giunti di saldatura quando non vengono apportate modifiche per compensare questo svantaggio.
• Confronto tra saldatura senza piombo e saldatura con piombo in termini di caratteristiche fisiche.
La tabella seguente mostra le differenze nelle caratteristiche fisiche tra la saldatura senza piombo e quella con piombo.
|
Articolo
|
Sn37Pb
|
SAC387
|
Sn0,7Cu
|
| Densità (g/m2) |
8,5 |
3,5 |
3,31 |
| Punto di fusione (°C) |
183 |
217 |
227 |
| Resistività (MΩ·cm) |
15 |
11 |
10-15 |
| Conducibilità elettrica (IACS) |
11,5 |
15,6 |
/ |
| CTE (×10-4) |
23,9 |
23,5 |
/ |
| Conducibilità termica (W/m·1k·1s) |
50 |
73 |
/ |
| Tensione superficiale a 260°C (mN/m) |
481 |
548 |
491 |
| Vita a fatica |
3 |
1 |
2 |
| Resistenza a taglio (MPa) |
23 |
27 |
20-23 |
Come illustrato nella tabella sopra, la saldatura senza piombo avrà sicuramente un’influenza negativa sull’affidabilità dei giunti di saldatura a causa delle differenze di prestazioni della saldatura rispetto alla tradizionale produzione con saldatura al piombo. Dal punto di vista dell’influenza meccanica, la tipica saldatura senza piombo è più dura della saldatura al piombo. Inoltre, l’ossido superficiale generato, i contaminanti del flussante e i residui di lega possono portare a prestazioni scadenti nel contatto elettrico e nella resistenza di contatto. Pertanto, la conversione dei prodotti elettronici dalla produzione con piombo a quella senza piombo non è mai una semplice sostituzione né sotto l’aspetto elettrico né sotto quello meccanico per le seguenti ragioni:
a. Poiché il piombo è relativamente morbido, i giunti di saldatura prodotti con processi senza piombo sono più duri di quelli realizzati con processi al piombo, il che porta a una maggiore resistenza e a una minore deformazione, il che, tuttavia, porterà sicuramente a un’elevata affidabilità dei giunti di saldatura senza piombo.
b. Poiché la saldatura senza piombo presenta una scarsa bagnabilità, si genereranno più difetti, tra cui vuoti, spostamenti e componenti in posizione verticale (“tombstoning”).
Preoccupazione globale per la produzione senza piombo
Nel passaggio dalla saldatura al piombo alla saldatura senza piombo, la differenza più evidente risiede nell’elevato contenuto di stagno (>95% in peso). Di conseguenza, occorre innanzitutto concentrarsi sui seguenti problemi.
• Crescita di whisker di stagno
Il baffo di stagno cresce dalla sezione debole dello strato di ossido di stagno come monocristallo di stagno, presentandosi in forma colonnare o come filamento cilindrico. I suoi danni includono:
a. Possono verificarsi cortocircuiti tra i pin adiacenti.
b. Potrebbe essere generata un'influenza negativa sulle caratteristiche ad alta frequenza.
La tensione di compressione è presente nello strato di saldatura di stagno ed è considerata la causa essenziale della formazione dei baffi di stagno. Ad esempio, quando si forma una grande quantità di lega intermetallica irregolare Cu6Sn5, si generano numerosi difetti, tra cui l’accumulo di tensione di compressione sullo strato di stagno, la deformazione dei terminali dei componenti e la mancata corrispondenza del CTE, tutti fattori che porteranno alla formazione dei baffi di stagno. Le leghe ad alto contenuto di stagno favoriscono la formazione dei baffi di stagno, in particolare nel caso dello stagno puro. Molte leghe metalliche come Pb o Bi, invece, possono fermare o ostacolare la crescita dei baffi di stagno.
I filamenti di stagno possono eventualmente causare cortocircuiti su componenti a linee fini, ad esempio i QFP. Pertanto, lo stagno puro può essere placcato su prodotti di bassa gamma e su componenti la cui durata è inferiore a 5 anni. Per quanto riguarda i prodotti ad alta affidabilità e i componenti la cui durata deve superare i 5 anni, si dovrebbe prima placcare uno strato di nichel con uno spessore inferiore a 1 μm, seguito da uno strato di stagno con uno spessore di 2-3 μm.
• Crescita di dendriti metallici
Le dendriti metalliche presentano processi di crescita diversi rispetto ai filamenti di stagno. Le prime derivano dall’elettromigrazione ionica in elettrochimica. Le dendriti metalliche provocheranno cortocircuiti che a loro volta causeranno il guasto del circuito.
• Generazione di CAF
Il filamento anodico conduttivo (CAF) è un altro tipo di guasto risultante da una reazione elettrochimica. Il CAF si verifica all’interno del circuito stampato (PCB), causato da un filamento conduttivo anodico contenente rame che cresce dall’anodo verso il catodo.
La CAF cresce fino a un certo punto quando anodo e catodo sono collegati con cortocircuiti che si verificano tra i due poli, portando infine a un disastro catastrofico. La CAF è un disastro perassemblaggio PCB ad alta densitàe la saldatura senza piombo con una temperatura più elevata fa sì che questo problema si verifichi più facilmente.
• Peste dello stagno
La peste dello stagno risulta dal cambiamento di fase polimorfa spontanea dello stagno puro. Quando la temperatura è inferiore a 13°C, lo stagno puro porterà alla conversione dallo stagno bianco (la cui densità è 7,30 g/cm3) derivante dalla struttura quadrata centrale allo stagno grigio (la densità è 5,77 g/cm3) in una struttura cubica centrata. Teoricamente, la peste dello stagno comporterà un potenziale rischio di affidabilità, ma è raramente osservata perché nelle stagno vengono miscelate delle impurità.
I problemi discussi sopra sono possibili difetti quando si utilizza la saldatura senza piombo. Tuttavia, possono essere eliminati purché si sfruttino tecnologie di saldatura avanzate durante il processo di PCBA.
PCBCart offre tecniche di produzione con saldatura al piombo e senza piombo per PCBA
