Perbandingan Kebolehpercayaan antara Sambungan Pateri Berplumbum dan Bebas Plumbum

Kesan Struktur Mikroskopik Dalaman Sambungan Pateri terhadap Kebolehpercayaan

Struktur mikroskopik sambungan pateri dalaman dan struktur IMC (sebatian antara logam) pada antara muka pateri dan asas PCB menentukan sifat mekanikal sambungan pateri. Teknik pematerian dan penuaan fasa pepejal seterusnya, bersama dengan kitaran terma, seterusnya menentukan struktur mikroskopik asal dan evolusinya. IMC yang optimum diharapkan terbentuk pada antara muka untuk melaksanakan pembasahan dan penyambungan metalurgi supaya kekuatan dan kebolehpercayaan sambungan pateri yang memuaskan dapat dicapai. Struktur mikroskopik dalaman sambungan pateri menunjukkan ciri mikro bahan dan mikroskop serta teknologi yang tersedia boleh digunakan untuk mendapatkan maklumat tersebut.

• Sambungan pateri plumbum

Apabila melibatkan SnPb, struktur mikronya terdiri daripada fasa kaya Sn dan fasa kaya Pb.

• Sambungan pateri bebas plumbum

Dalam aloi SAC, tindak balas metalurgi antara Sn dan unsur sekunder Ag serta Cu ialah faktor utama yang menentukan suhu penggunaannya, mekanisme pengerasan dan prestasi mekanikalnya.

Selaras dengan rajah fasa binari, tiga jenis tindak balas eutektik binari wujud antara tiga jenis unsur di atas:
a). Tindak balas antara Ag dan Sn berlaku pada suhu 221°C dengan struktur eutektik pada fasa asas Sn dan IMC ε (Ag₃Fasa Sn) terbentuk.
b). Tindak balas antara Cu dan Sn berlaku pada suhu 227°C dengan struktur eutektik pada fasa asas Sn dan IMC η (Cu₆Sn₅) fasa terbentuk.
c). Tindak balas antara Ag dan Cu juga berlaku pada suhu 779°C dengan aloi eutektik yang terbentuk daripada fasa α kaya Ag dan fasa α kaya Cu.

Bahan ramuan menentukan struktur mikroskopik yang seterusnya menentukan mod kegagalan. Semasa penggunaan produk, struktur mikroskopik menggalakkan penghasilan mendapan halus. Penyebaran zarah, taburan sekata dan penggranulan adalah bermanfaat untuk meningkatkan rintangan keletihan. Namun begitu, hayat keletihan akan berkurangan apabila fasa berasid dan rapuh serta rongga berlebihan berlaku dan tegasan tertumpu. Penambahbaikan taburan sekata ubah bentuk plastik dalam julat kecil melalui kawalan struktur mikroskopik ialah langkah berkesan untuk meningkatkan keamatan keletihan.

Kesan Struktur Mikroskopik IMC pada Antara Muka Sambungan Pateri terhadap Kebolehpercayaan

• Struktur Mikroskopik Antara Muka IMC

a). Bentuk dan Rajah

Lapisan η- Cu₆Sn₅menampilkan tiga jenis bentuk dan figura:
1). Lapisan selular kasar. Ia mempunyai kawasan keratan yang mengandungi dendrit di antara yang terdapat ruang yang begitu besar sehingga satu antara muka kasar yang bersentuhan dengan pateri terhasil, yang bukan merupakan struktur padat.
2). Lapisan padat pada antara berlekuk. Sama seperti zarah kristal dendrit, lapisan ini mempunyai bentuk yang serupa tetapi dengan sebatian kimia yang padat. Antara yang bersentuhan dengan pateri adalah seperti bentuk berlekuk.
3). Lapisan padat pada antara muka rata. Apabila kandungan Pb, suhu dan masa tindak balas meningkat, bentuk dan rupa lapisan η mula berubah daripada lapisan selular kasar kepada lapisan padat pada antara muka berlekuk.

b). Unsur elemen yang mempengaruhi

1). Kadar penyejukan yang tinggi akan menyebabkan pembentukan lapisan fasa η yang rata manakala kadar penyejukan yang rendah akan menyebabkan pembentukan lapisan fasa η berbentuk tumor kecil.
2). Masa pematerian aliran semula yang singkat menghasilkan lapisan fasa η yang rata manakala masa pematerian aliran semula yang panjang menghasilkan lapisan fasa η berbonggol kecil atau berlekuk.

c). Kupas

IMC yang pada asalnya terbentuk di antara pad dan pateri cair kadangkala akan terpisah daripada antara muka apabila masa penyolderan reflow atau bilangan kitaran penyolderan reflow meningkat. Fenomena ini biasanya berkaitan dengan Ni. Sebagai contoh, ia cenderung berlaku dengan lebih kerap pada lapisan penyaduran Ni bagi ENIG.
1). IMC mengalami pengelupasan pada antara muka lapisan penyaduran Ni ENIG pada kandungan fosforus yang berbeza. Pengelupasan ditentukan oleh peningkatan kandungan fosforus dan pemanjangan masa penyolderan reflow.
2). Selepas beberapa pateri bebas plumbum (Sn3.5Ag, Sn3.5Ag3.0Bi dan SAC387) dan beberapa jenis asas bersalut [Cu, Ni(P)/Au dan Ni(P)Pd/Au] melalui pematerian reflow selama 20 minit pada suhu di bawah 250°C, IMC antara muka dan kebanyakan lapisan IMC yang terbentuk dengan dua jenis pateri terdahulu akan menyimpang atau tertanggal daripada antara muka dengan hanya satu lapisan IMC nipis yang tinggal pada antara muka. Apabila melibatkan SAC387 pada asas [Ni(P)/Au dan Ni(P)/Pd/Au], IMC bagi (Cu, Ni)₆Sn₅boleh disambungkan dengan baik dengan antara muka. Walau bagaimanapun, berkenaan dengan asas Ni bersalut, tiga jenis pateri bebas plumbum boleh disambungkan dengan baik dengan Ni₃Su₄IMC.

d). Kesan Au terhadap IMC antara pateri SAC dan asas Cu

IMC yang terbentuk oleh Cu dan pateri SAC bertindak seperti batu kelikir. Selepas Au sebanyak 0.1 hingga 5wt% ditambah ke dalam SAC387, fasa eutektik yang terhasil pada suhu 204.5°C mengandungi 4 komposit (AuSn₄, Au₃Sn, β-Sn dan Cu₆Sn₅). Apabila sebatian logam ternari Au-Cu-Sn terbentuk, kebanyakan Au dalam pateri akan mengalir keluar dan bergerak ke arah antara muka. Dalam tindak balas antara muka, penglibatan Au akan berubah daripada bentuk biasa beralun kepada jenis sebatian yang terdiri daripada (Au, Cu)₆Sn₅zarah kristal dan β-Sn berbentuk pulau dengan taburan yang sangat baik.

• Pertumbuhan Lapisan IMC Antara Muka

Pertumbuhan ciri lapisan IMC antara muka mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap kebolehpercayaan sambungan pateri. Kajian menunjukkan bahawa tiada peraturan tetap antara ketebalan IMC dan masa. Pemeluwapan fasa cecair menghentikan pertumbuhan IMC, menyebabkan pertumbuhan yang tidak sekata.

Sejauh komponen dengan plumbum disadur pada pin, terdapat hubungan nisbah linear kasar antara pertumbuhan IMC dan punca kuasa dua masa, yang boleh dianggap serasi dengan peraturan resapan. Walau bagaimanapun, bagi komponen yang pinnya disadur SnPb, pertumbuhan IMC pateri SAC menunjukkan satu trend yang jelas.

• Taburan Elemen pada Antara Muka Sambungan Pateri

Berdasarkan kesan suhu tinggi dan rendah serta ujian suhu tinggi, dapat dilihat bahawa sedikit pengurangan berlaku pada Ag₃Struktur rangkaian Sn semasa ujian suhu tinggi dan perubahan ketara berlaku ke arah Ag berbutir₃Fasa Sn tanpa dipengaruhi oleh kekuatan pematerian. Suhu tinggi digunakan untuk melaksanakan ujian pecutan pertumbuhan lapisan aloi antara muka. Bagi komponen yang pinnya disalut plumbum, memang wujud hubungan nisbah linear yang hampir seragam antara pertumbuhan aloi dan punca kuasa dua masa. Pertumbuhan berlaku di bawah kadar kawalan resapan tertentu. Walau bagaimanapun, sebatian kimia yang terbentuk sememangnya boleh mengurangkan kekuatan sambungan pateri dengan ketara sama ada bagi ujian kejutan suhu tinggi-rendah atau ujian suhu tinggi.

Sambungan pateri bebas plumbum mempunyai kekerasan dan kekuatan yang lebih tinggi berbanding sambungan pateri SnPb serta mengalami ubah bentuk yang lebih kecil, namun ini tidak bermaksud kebolehpercayaan sambungan pateri bebas plumbum adalah tinggi. Oleh sebab aloi pateri bebas plumbum mempunyai kebasahan yang lebih buruk, lebih banyak kecacatan cenderung berlaku seperti rongga, anjakan dan fenomena “tombstoning”, dan saiz rongga juga cenderung menjadi lebih besar.

• Kerapuhan dan Mekanismenya

1). Di antara lapisan Ni(P) bersalut dan pateri SnPb, tindak balas jangka panjang akan berlaku dengan rongga Kirkendall terbentuk di sekeliling permukaan Ni. Apabila kuprum yang tersedia dibekalkan kepada pateri, kerapuhan akan menjadi lebih kompleks. Sebatian logam ternari (Cu, Ni)₆Sn₅terkumpul pada Ni₃Sn₄terbentuk pada permukaan Ni, rongga akan terhasil pada Ni₃Sn₄(Cu, Ni)₆Sn₅pada masa penuaan. Masalah yang sama juga akan berlaku apabila pateri SAC digunakan untuk disambungkan dengan Ni kerana jenis aloi pateri ini mengandungi sumber kuprum.

2). Pad hitam ialah fenomena unik yang berkaitan dengan kerapuhan dengan persetujuan yang meluas, terutamanya bagi ENIG Ni/Au. Kerapuhan yang jelas berlaku pada pad atau di sekelilingnya disebabkan oleh keboleh-solderan permukaan Ni(P) yang tidak mencukupi, yang akhirnya akan mengurangkan keamatan keletihan mekanikal. Pad hitam berkaitan dengan fenomena keretakan sambungan pateri. Walau apa pun, kesan pad hitam yang berbahaya berkaitan dengan satu lagi kerapuhan di mana struktur aloi logam yang optimum akan merosot dari semasa ke semasa.

3). Pateri pateri SAC memainkan peranan yang lebih penting daripada pateri SnPb semasa kesan pad hitam dan proses penuaan apabila struktur IMC mengalami kerapuhan pada pad ENIG Ni/Au. Pateri bebas plumbum harus mengelakkan atau mengurangkan proses kerapuhan akibat penebalan Au dalam salutan Ni/Au.

4). Malah dalam kitaran terma yang paling biasa sekalipun, sambungan pateri biasanya perlu berupaya menahan beban rayapan yang terhasil dalam setiap kitaran terma. Sehubungan itu, struktur IMC pada pad mesti menahan beban yang dibawa oleh rayapan pateri. Beban mekanikal luaran, khususnya yang terhasil daripada hentaman mekanikal sistem, menyebabkan rayapan pateri biasanya sangat tinggi kerana ubah bentuk yang berlaku akibat rayapan pada sambungan pateri terlalu besar. Akibatnya, walaupun struktur IMC mampu sepenuhnya menahan kitaran terma, sambungan yang paling rapuh tetap akan terhasil semasa ujian daya ricih atau daya tegangan.

5). Au dengan pateri SnPb yang ditambah dalam proses pematerian aliran semula akan beransur-ansur kembali ke permukaan Ni dalam proses penuaan seterusnya, menghasilkan (Ni, Au)₃Sn₄untuk terkumpul pada Ni₃Sn₄IMC. Antara muka yang dijana sedemikian adalah tidak stabil dan akan berkurangan dengan penambahbaikan (Ni, Au)₃Sn₄ketebalan.

• Kesan Berbahaya Penuaan Fasa Pepejal terhadap Kebolehpercayaan Sambuangan Pateri

Penuaan fasa pepejal mungkin menyebabkan IMC antara muka menjadi lebih tebal dengan bentuk yang berubah daripada beralun kepada lapisan rata yang sekata. Semasa penuaan fasa pepejal, IMC antara muka yang berlebihan terbentuk dengan beberapa pengasingan unsur kimia yang tidak mengambil bahagian dalam proses pembentukan IMC. Oleh kerana kesan Kirkendall menyebabkan penurunan ketumpatan bahan semasa proses pembentukan IMC, penuaan fasa pepejal yang berlebihan akan menghasilkan terlalu banyak rongga pada antara muka pateri/pad.

PCBCart Menawarkan Teknik Pembuatan Penyolderan Berplumbum dan Penyolderan Bebas Plumbum untuk Pemasangan PCB

Kami memahami bahawa projek yang berbeza memerlukan teknik pematerian yang berbeza. Untuk memenuhi semua keperluan pelanggan, kami menawarkan kedua-dua Teknik Pematerian Berplumbum dan Teknik Pematerian Bebas Plumbum untuk pemasangan papan litar bercetak. Ingin tahu berapa kos kerja Pemasangan PCB anda? Klik butang berikut untuk mendapatkan sebut harga PCBA, ia tidak memerlukan walau satu sen pun!

Meminta Sebut Harga Perakitan PCB - Pateri Berplumbum/Tanpa Plumbum

Sumber Berguna
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Termaju dengan Pelbagai Pilihan Nilai Tambah
•Pengenalan Teknologi Pembuatan PCB Bebas Plumbum
•Perbandingan antara Prosedur Pembuatan Pematerian Berplumbum dan Pematerian Bebas Plumbum dalam PCBA
•Perbandingan Teknologi Pateri yang Digunakan dalam Pateri Gelombang Berplumbum dan Bebas Plumbum