Confronto dell’affidabilità tra giunti di saldatura al piombo e senza piombo

Influenza della struttura microscopica interna dei giunti di saldatura sull’affidabilità

La struttura microscopica dei giunti di saldatura interni e la struttura dell’IMC (composto intermetallico) all’interfaccia tra la saldatura e il substrato del PCB determinano le proprietà meccaniche dei giunti di saldatura. Le tecniche di saldatura e il successivo invecchiamento in fase solida, insieme al ciclo termico, determinano ulteriormente la struttura microscopica originaria e la sua evoluzione. Si prevede che all’interfaccia si generi un IMC ottimale per realizzare la bagnabilità e l’interconnessione metallurgica, in modo da ottenere un’intensità e un’affidabilità soddisfacenti del giunto di saldatura. La struttura microscopica interna dei giunti di saldatura mostra le microcaratteristiche del materiale e i microscopi e le tecnologie disponibili possono essere utilizzati per ottenere tali informazioni.

• Giunzioni saldate con stagno di piombo

Per quanto riguarda lo SnPb, la sua microstruttura è composta da una fase ricca di Sn e una fase ricca di Pb.

• Giunzioni di saldatura senza piombo

Nella lega SAC, la reazione metallurgica tra lo Sn e gli elementi secondari Ag e Cu è il fattore principale che determina la sua temperatura di applicazione, il meccanismo di indurimento e le prestazioni meccaniche.

In conformità con il diagramma binario di fase, sono disponibili tre tipi di reazioni eutettiche binarie tra i tre tipi di elementi sopra menzionati:
a). La reazione tra Ag e Sn avviene a una temperatura di 221°C con una struttura eutettica nella fase di base Sn e IMC ε (Ag₃Fase Sn) formata.
b). La reazione tra Cu e Sn avviene a una temperatura di 227°C con una struttura eutettica nella fase di base Sn e IMC η (Cu₆Sn₅) fase formata.
c). La reazione tra Ag e Cu avviene anche a una temperatura di 779°C con la formazione di una lega eutettica costituita da una fase α ricca di Ag e una fase α ricca di Cu.

L’ingrediente del materiale determina la struttura microscopica che a sua volta determina la modalità di cedimento. Durante l’applicazione dei prodotti, la struttura microscopica favorisce la generazione di piccoli sedimenti. La dispersione delle particelle, la distribuzione uniforme e la granulazione sono utili al miglioramento della resistenza a fatica. Tuttavia, la vita a fatica si ridurrà quando si formano fasi acide e fragili e cavità eccessive, e si verifica una concentrazione di tensione. Il miglioramento della distribuzione uniforme della deformazione plastica entro un piccolo intervallo, attraverso il controllo della struttura microscopica, è una misura efficace per aumentare l’intensità a fatica.

Influenza della Struttura Microscopica dell’IMC all’Interfaccia dei Giunti di Saldatura sull’Affidabilità

• Struttura microscopica dell’IMC di interfaccia

a). Forma e figura

Strato η- Cu₆Sn₅presenta tre tipi di forme e figure:
1). Strato cellulare ruvido. Presenta un'area di sezione contenente dendriti tra i quali è disponibile uno spazio così ampio che si ottiene un'interfaccia ruvida a contatto con la saldatura, che non costituisce una struttura compatta.
2). Strato compatto su interfaccia a forma di conchiglia. Simile alle particelle cristalline dendritiche, questo strato presenta una forma analoga ma con un composto chimico compatto. L’interfaccia a contatto con la saldatura ha una forma simile a una conchiglia.
3). Strato compatto su interfaccia piana. Con l’aumento del contenuto di Pb, della temperatura e del tempo di reazione, la forma e l’aspetto dello strato η iniziano a trasformarsi da uno strato cellulare ruvido a uno strato compatto su un’interfaccia a festoni.

b). Elementi che influiscono

1). Un'elevata velocità di raffreddamento porterà alla formazione di uno strato piatto di fase η, mentre una bassa velocità di raffreddamento porterà alla formazione di uno strato di fase η a piccoli tumori.
2). Un breve tempo di saldatura a rifusione porta a uno strato di fase η piatto, mentre un lungo tempo di saldatura a rifusione porta a uno strato di fase η a piccoli tumori o a cresta.

c). Sbucciare

L’IMC che si forma originariamente tra il pad e la lega saldante fusa talvolta si separa dall’interfaccia quando il tempo di rifusione o il numero di cicli di rifusione aumenta. Questo fenomeno è solitamente correlato al Ni. Ad esempio, tende a verificarsi più spesso sullo strato di placcatura in Ni dell’ENIG.
1). L’IMC si distacca all’interfaccia dello strato di placcatura ENIG Ni a diversi contenuti di fosforo. Il distacco è determinato dall’aumento del contenuto di fosforo e dal prolungamento del tempo di rifusione della saldatura.
2). Dopo che alcune leghe saldanti senza piombo (Sn3.5Ag, Sn3.5Ag3.0Bi e SAC387) e alcuni tipi di basi placcate [Cu, Ni(P)/Au e Ni(P)Pd/Au] sono sottoposte a rifusione per 20 minuti a una temperatura inferiore a 250°C, l’IMC di interfaccia e la maggior parte degli strati di IMC formati con i primi due tipi di leghe saldanti devieranno o si staccheranno dall’interfaccia, lasciando solo un sottile strato di IMC sull’interfaccia. Per quanto riguarda la lega SAC387 su base [Ni(P)/Au e Ni(P)/Pd/Au], l’IMC di (Cu, Ni)₆Sn₅può essere ben collegato con l’interfaccia. per quanto riguarda tuttavia la base di Ni placcata, tre tipi di leghe saldanti senza piombo possono essere ben collegati con il Ni₃Su₄IMC.

d). Effetto dell’Au sull’IMC tra saldatura SAC e base in Cu

L’IMC formato da rame e saldatura SAC si comporta come ciottoli. Dopo che è stato aggiunto Au dallo 0,1 al 5% in peso al SAC387, la fase eutettica generata alla temperatura di 204,5 °C contiene 4 composti (AuSn₄, Au₃Sn, β-Sn e Cu₆Sn₅). Poiché si genera il composto metallico ternario Au-Cu-Sn, la maggior parte dell’Au nella lega saldante fluirà verso l’esterno e si sposterà verso l’interfaccia. Nella reazione all’interfaccia, la partecipazione dell’Au verrà trasformata dal tipo ordinario a forma di conchiglia al tipo di composto costituito da (Au, Cu)₆Sn₅particelle cristalline e β-Sn a forma di isola con un'eccellente distribuzione.

• Crescita dello strato IMC di interfaccia

La crescita dello strato di IMC all’interfaccia esercita un’influenza estremamente rilevante sull’affidabilità dei giunti di saldatura. È stato studiato che non esistono regole valide tra lo spessore dell’IMC e il tempo. La condensazione in fase liquida impedisce la crescita dell’IMC, portando a una crescita irregolare.

Per quanto riguarda i componenti con piombo placcato sui terminali, esiste una relazione approssimativamente lineare tra la crescita dell’IMC e la radice quadrata del tempo, che può essere considerata compatibile con la legge di diffusione. Tuttavia, per i componenti i cui terminali sono placcati in SnPb, la crescita dell’IMC con lega di saldatura SAC presenta un andamento evidente.

• Distribuzione degli elementi sull'interfaccia del giunto di saldatura

Sulla base dell’impatto alle alte e basse temperature e della prova ad alta temperatura, si può osservare che si verifica una leggera riduzione dell’Ag₃Struttura della rete di Sn durante il test ad alta temperatura e si verifica un cambiamento evidente verso Ag granuloso₃La fase Sn non è influenzata dall’intensità della saldatura. Per eseguire il test di accelerazione della crescita dello strato di lega d’interfaccia si utilizza un’alta temperatura. Per i componenti i cui terminali sono placcati in piombo, si verifica effettivamente una relazione approssimativamente lineare tra la crescita della lega e la radice quadrata del tempo. La crescita avviene a un determinato tasso di controllo della dispersione. Tuttavia, il composto chimico che si forma è in grado di ridurre in modo significativo la resistenza dei giunti di saldatura sia nelle prove di shock termico ad alta e bassa temperatura, sia nelle prove ad alta temperatura.

Le giunzioni saldate senza piombo presentano una durezza e una resistenza maggiori rispetto alle giunzioni saldate SnPb e una deformazione minore, il che non implica un’elevata affidabilità delle giunzioni saldate senza piombo. Poiché la lega di saldatura senza piombo presenta una bagnabilità peggiore, tendono a verificarsi più difetti, come cavità, spostamenti e fenomeni di “tombstoning”, e le dimensioni delle cavità tendono ad aumentare.

• Fragilità e il suo meccanismo

1). Tra lo strato di Ni(P) placcato e la saldatura SnPb, avverrà una reazione di lunga durata con formazione di cavità di Kirkendall attorno alla superficie del Ni. Quando viene fornito rame disponibile alla saldatura, la fragilità diventerà più complessa. Composto metallico ternario (Cu, Ni)₆Sn₅si accumula su Ni₃Sn₄formate sulla superficie di Ni, si genereranno cavità su Ni₃Sn₄(Cu, Ni)₆Sn₅al momento dell’invecchiamento. Problemi simili si verificheranno anche quando si utilizza la saldatura SAC per collegare con il Ni, poiché questo tipo di lega saldante contiene una fonte di rame.

2). Il “black pad” è un fenomeno particolare legato alla fragilità, ampiamente riconosciuto, soprattutto in relazione all’ENIG Ni/Au. Una evidente fragilità si manifesta sul pad o intorno ad esso a causa dell’insufficiente saldabilità della superficie di Ni(P), il che alla fine riduce la resistenza alla fatica meccanica. Il black pad è correlato al fenomeno delle cricche nel giunto di saldatura. In ogni caso, il dannoso effetto del black pad è legato a un’altra forma di fragilità, per cui la struttura ottimale della lega metallica degenera con il passare del tempo.

3). La saldatura SAC svolge un ruolo più importante rispetto alla saldatura SnPb durante l’effetto black pad e il processo di invecchiamento, quando la struttura dell’IMC soffre di fragilità sul pad ENIG Ni/Au. La saldatura senza piombo dovrebbe evitare o ridurre i processi di fragilità dovuti all’ispessimento dell’Au nel rivestimento Ni/Au.

4). Anche il più comune ciclo termico di solito richiede che i giunti di saldatura siano in grado di sopportare il carico da creep generato in ogni ciclo termico. Di conseguenza, la struttura dell’IMC sul pad deve resistere al carico causato dal creep della saldatura. Sotto carico meccanico esterno, soprattutto quello generato dall’impatto meccanico del sistema, il creep della saldatura è di solito molto elevato perché la deformazione dovuta al creep sui giunti di saldatura è eccessiva. Di conseguenza, anche se la struttura dell’IMC è in grado di resistere completamente nel ciclo termico, i collegamenti più fragili verranno comunque generati durante le prove di taglio o di trazione.

5). L'Au con saldatura SnPb aggiunta nel processo di rifusione tornerà gradualmente alla superficie di Ni nel successivo processo di invecchiamento, portando a (Ni, Au)₃Sn₄da accumularsi su Ni₃Sn₄IMC. L’interfaccia generata in questo modo è instabile e diminuirà con il miglioramento di (Ni, Au)₃Sn₄spessore.

• Danno dell'invecchiamento in fase solida sull'affidabilità dei giunti di saldatura

L’invecchiamento in fase solida può forse portare lo strato di IMC all’interfaccia a diventare più spesso, con una forma che si trasforma da ondulata a uno strato uniforme e piatto. Durante l’invecchiamento in fase solida, si generano IMC interfaciali in eccesso con segregazione di alcuni elementi chimici che non partecipano al processo di formazione dell’IMC. Poiché l’effetto Kirkendall porta a una diminuzione della densità del materiale durante il processo di generazione dell’IMC, un eccessivo invecchiamento in fase solida produrrà troppe cavità all’interfaccia saldatura/pad.

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