การเปรียบเทียบความน่าเชื่อถือระหว่างรอยประสานบัดกรีแบบมีตะกั่วและไร้ตะกั่ว

ผลกระทบของโครงสร้างจุลภาคภายในของข้อต่อบัดกรีต่อความเชื่อถือได้

โครงสร้างจุลภาคของรอยประสานภายในและโครงสร้าง IMC (intermetallic compound) ที่บริเวณรอยต่อระหว่างประสานบัดกรีกับฐาน PCB เป็นตัวกำหนดสมบัติเชิงกลของรอยประสาน เทคนิคการบัดกรีและการแก่ตัวในเฟสของแข็งในระยะต่อมา ร่วมกับวัฏจักรความร้อน จะเป็นตัวกำหนดโครงสร้างจุลภาคเริ่มต้นและวิวัฒนาการของมันต่อไป คาดหวังให้ IMC ที่เหมาะสมเกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อเพื่อให้เกิดการเปียกและการเชื่อมต่อทางโลหะวิทยา เพื่อให้ได้ความแข็งแรงและความเชื่อถือได้ของรอยประสานที่น่าพอใจ โครงสร้างจุลภาคภายในของรอยประสานแสดงให้เห็นลักษณะระดับจุลภาคของวัสดุ และสามารถใช้กล้องจุลทรรศน์และเทคโนโลยีที่มีอยู่เพื่อให้ได้มาซึ่งข้อมูลดังกล่าว

• ข้อต่อบัดกรีตะกั่ว

เมื่อกล่าวถึง SnPb โครงสร้างจุลภาคของมันประกอบด้วยเฟสที่มี Sn เข้มข้นและเฟสที่มี Pb เข้มข้น

• ข้อต่อบัดกรีปลอดสารตะกั่ว

ในโลหะผสม SAC ปฏิกิริยาทางโลหะวิทยาระหว่าง Sn กับธาตุทุติยภูมิ Ag และ Cu เป็นปัจจัยหลักที่กำหนดอุณหภูมิการใช้งาน กลไกการแข็งตัว และสมบัติเชิงกลของโลหะผสม

ตามแผนภาพเฟสไบนารี มีปฏิกิริยาไบนารียูเทคติกสามประเภทที่เกิดขึ้นได้ระหว่างธาตุทั้งสามประเภทข้างต้น:
a). ปฏิกิริยาระหว่าง Ag และ Sn เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 221°C โดยมีโครงสร้างยูเทคติกที่เฟสฐาน Sn และสารประกอบระหว่างโลหะ ε (Ag₃เกิดเฟส Sn)
b). ปฏิกิริยาระหว่าง Cu และ Sn เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 227°C โดยมีโครงสร้างยูเทคติกที่เฟสพื้นฐานของ Sn และสารประกอบระหว่างโลหะ η (Cu₆สน₅) เฟสที่ก่อตัวขึ้น
c). ปฏิกิริยาระหว่าง Ag และ Cu เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 779°C โดยมีการเกิดโลหะผสมยูเทคติกซึ่งประกอบด้วยเฟส α ที่อุดมด้วย Ag และเฟส α ที่อุดมด้วย Cu

ส่วนประกอบของวัสดุเป็นตัวกำหนดโครงสร้างระดับจุลภาค ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดโหมดการเสียหายต่อไป ในระหว่างการใช้งานผลิตภัณฑ์ โครงสร้างระดับจุลภาคจะส่งเสริมการเกิดตะกอนขนาดเล็ก การกระจายตัวของอนุภาค การกระจายอย่างสม่ำเสมอ และการทำให้เป็นเม็ด มีประโยชน์ต่อการปรับปรุงความต้านทานความล้า อย่างไรก็ตาม อายุความล้าจะลดลงเมื่อเกิดเฟสที่มีสภาพเป็นกรดและเปราะ รวมถึงโพรงอากาศส่วนเกินและการเกิดความเค้นรวมตัวกัน การทำให้การกระจายตัวของการเสียรูปแบบพลาสติกภายในช่วงเล็ก ๆ มีความสม่ำเสมอมากขึ้นผ่านการควบคุมโครงสร้างระดับจุลภาค เป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความทนทานต่อความล้า

ผลกระทบของโครงสร้างจุลภาคของสารประกอบระหว่างโลหะที่ผิวรอยต่อบัดกรีต่อความเชื่อถือได้

• โครงสร้างจุลภาคของสารประกอบระหว่างโลหะที่บริเวณรอยต่อ

a). รูปร่างและรูปทรง

ชั้น η- Cu₆Sn₅ประกอบด้วยรูปร่างและรูปทรงสามประเภท:
1). ชั้นเซลล์หยาบ มีลักษณะเป็นบริเวณส่วนที่มีเดนไดรต์ซึ่งระหว่างกันมีช่องว่างขนาดใหญ่เพียงพอที่จะทำให้เกิดผิวสัมผัสที่หยาบเมื่อสัมผัสกับบัดกรี ซึ่งไม่ใช่โครงสร้างที่หนาแน่นแนบสนิท
2). ชั้นแบบกะทัดรัดบนรอยต่อเป็นคลื่นโค้ง คล้ายกับอนุภาคผลึกเดนไดรต์ ชั้นนี้มีรูปร่างคล้ายกันแต่เป็นสารประกอบเคมีที่มีความหนาแน่น รอยต่อที่สัมผัสกับบัดกรีมีลักษณะเป็นคลื่นโค้ง
3). ชั้นหนาแน่นบนผิวราบ เมื่อปริมาณ Pb อุณหภูมิ และเวลาในการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น รูปร่างและลักษณะของชั้น η จะเริ่มเปลี่ยนจากชั้นเซลลูลาร์หยาบไปเป็นชั้นหนาแน่นบนผิวแบบเป็นคลื่น

b). องค์ประกอบที่มีผลกระทบ

1). อัตราการทำให้เย็นตัวสูงจะทำให้เกิดชั้นเฟส η แบบแบน ในขณะที่อัตราการทำให้เย็นตัวต่ำจะทำให้เกิดชั้นเฟส η แบบก้อนเล็ก
2). ระยะเวลาในการบัดกรีรีโฟลว์ที่สั้นทำให้เกิดชั้นเฟส η ที่แบน ในขณะที่ระยะเวลาในการบัดกรีรีโฟลว์ที่ยาวทำให้เกิดชั้นเฟส η แบบก้อนเล็กหรือแบบเป็นคลื่น

c). ลอกออก

IMC ที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นรองบัดกรีกับบัดกรีเหลวในตอนแรก บางครั้งจะแยกตัวออกจากผิวต่อเชื่อมเมื่อเวลาในการรีโฟลว์บัดกรีหรือจำนวนครั้งของการรีโฟลว์บัดกรีเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้มักเกี่ยวข้องกับ Ni ตัวอย่างเช่น มักเกิดขึ้นบ่อยบนชั้นชุบนิกเกิลของ ENIG
1). IMC เกิดการลอกออกที่บริเวณรอยต่อของชั้นชุบนิกเกิล ENIG ที่มีปริมาณฟอสฟอรัสต่างกัน การลอกออกถูกกำหนดโดยการเพิ่มขึ้นของปริมาณฟอสฟอรัสและการยืดระยะเวลาการรีโฟลว์บัดกรี
2). หลังจากที่บัดกรีปลอดสารตะกั่วบางชนิด (Sn3.5Ag, Sn3.5Ag3.0Bi และ SAC387) และฐานชุบเคลือบบางประเภท [Cu, Ni(P)/Au และ Ni(P)Pd/Au] ผ่านกระบวนการรีโฟลว์โซลเดอร์เป็นเวลา 20 นาที ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 250°C แล้ว IMC บริเวณรอยต่อและชั้น IMC ส่วนใหญ่ที่เกิดจากบัดกรีสองชนิดแรกจะเคลื่อนตัวหรือหลุดลอกออกจากรอยต่อ เหลือเพียงชั้น IMC บาง ๆ อยู่บนรอยต่อเท่านั้น สำหรับกรณีของ SAC387 บนฐาน [Ni(P)/Au และ Ni(P)/Pd/Au] จะเกิด IMC ของ (Cu, Ni)₆สน₅สามารถเชื่อมต่อกับอินเทอร์เฟซได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตาม สำหรับฐานชุบนิกเกิล (Ni) แล้ว ตะกั่วบัดกรีปลอดสารตะกั่วสามประเภทสามารถเชื่อมต่อกับนิกเกิล (Ni) ได้เป็นอย่างดี₃ซู₄IMC.

d). ผลของทองคำ (Au) ต่อสารประกอบระหว่างโลหะ (IMC) ระหว่างประสาน SAC กับฐานทองแดง (Cu)

IMC ที่เกิดจากทองแดงและประสาน SAC ทำหน้าที่เสมือนก้อนกรวด หลังจากเติมทองคำ 0.1 ถึง 5wt% ลงใน SAC387 แล้ว เฟสยูเทคติกที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 204.5°C จะประกอบด้วยองค์ประกอบ 4 ชนิด (AuSn₄, Au₃Sn, β-Sn และ Cu₆Sn₅). เมื่อเกิดสารประกอบโลหะผสมสามส่วน Au-Cu-Sn ขึ้น ทองคำ (Au) ส่วนใหญ่ในบัดกรีจะไหลออกและเคลื่อนที่ไปยังบริเวณรอยต่อ ในปฏิกิริยาที่รอยต่อ การมีส่วนร่วมของทองคำ (Au) จะเปลี่ยนจากรูปแบบธรรมดาที่เป็นสันโค้ง (scalloped) ไปเป็นชนิดของสารประกอบซึ่งประกอบด้วย (Au, Cu)₆Sn₅อนุภาคผลึกและโครงสร้างเกาะของเบต้า-Sn ที่มีการกระจายตัวอย่างยอดเยี่ยม

• การเติบโตของชั้น IMC บริเวณรอยต่อ

การเติบโตของชั้น IMC บริเวณรอยต่อมีผลกระทบอย่างมากต่อความน่าเชื่อถือของข้อต่อประสาน มีการศึกษาแล้วว่าไม่มีกฎเกณฑ์ตายตัวระหว่างความหนาของ IMC กับเวลา การควบแน่นในเฟสของเหลวหยุดการเติบโตของ IMC ทำให้การเติบโตไม่สม่ำเสมอ

สำหรับคอมโพเนนต์ที่มีการชุบตะกั่วบนขา จะมีความสัมพันธ์เชิงเส้นโดยประมาณระหว่างการเติบโตของ IMC กับรากที่สองของเวลา ซึ่งสามารถถือได้ว่าเข้ากันได้กับกฎการแพร่กระจาย อย่างไรก็ตาม สำหรับคอมโพเนนต์ที่ขาถูกชุบด้วย SnPb การเติบโตของ IMC ในบัดกรี SAC แสดงให้เห็นแนวโน้มที่ชัดเจน

• การกระจายของธาตุบนรอยต่อบัดกรี

จากผลกระทบของอุณหภูมิสูงและต่ำและการทดสอบที่อุณหภูมิสูง สามารถเห็นได้ว่าเกิดการลดลงเล็กน้อยบน Ag₃โครงสร้างตาข่ายของ Sn ระหว่างการทดสอบที่อุณหภูมิสูงและเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจนไปเป็น Ag ลักษณะเป็นเม็ด₃เฟส Sn ที่ไม่มีการบัดกรีไม่ได้รับผลกระทบจากความแข็งแรง การใช้ อุณหภูมิสูงถูกนำมาใช้เพื่อดำเนินการทดสอบการเร่งการเติบโตของชั้นโลหะผสมที่ผิวต่อเนื่อง สำหรับชิ้นส่วนที่ขาของชิ้นส่วนเคลือบด้วยตะกั่ว จะเกิดความสัมพันธ์เชิงเส้นแบบคร่าว ๆ ระหว่างการเติบโตของโลหะผสมกับรากที่สองของเวลา การเติบโตเกิดขึ้นภายใต้อัตราการควบคุมการกระจายตัวที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม สารประกอบเคมีที่เกิดขึ้นสามารถลดความแข็งแรงของจุดบัดกรีได้อย่างชัดเจน ทั้งในการทดสอบการกระแทกอุณหภูมิสูง-ต่ำ หรือการทดสอบที่อุณหภูมิสูง

รอยบัดกรีปลอดสารตะกั่วมีความแข็งและความทนแรงสูงกว่ารอยบัดกรี SnPb และมีการเปลี่ยนรูปน้อยกว่า ซึ่งไม่ได้หมายความว่ารอยบัดกรีปลอดสารตะกั่วมีความเชื่อถือได้สูง เนื่องจากโลหะผสมบัดกรีปลอดสารตะกั่วมีความเปียกติดที่แย่กว่า จึงมีแนวโน้มเกิดข้อบกพร่องมากขึ้น เช่น โพรง การเคลื่อนตำแหน่ง การตั้งตัวในลักษณะหลุมศพ และขนาดของโพรงก็มีแนวโน้มที่จะใหญ่ขึ้น

• ความเปราะและกลไกของมัน

1). ระหว่างชั้นเคลือบ Ni(P) กับบัดกรี SnPb จะเกิดปฏิกิริยาเป็นเวลานานซึ่งทำให้เกิดโพรง Kirkendall รอบพื้นผิวของ Ni เมื่อมีการจ่ายทองแดงที่เพียงพอให้กับบัดกรี ความเปราะจะซับซ้อนมากยิ่งขึ้น สารประกอบโลหะสามส่วน (Cu, Ni)₆Sn₅สะสมบน Ni₃สน₄เกิดโพรงบนผิวหน้าของ Ni จะทำให้เกิดโพรงบน Ni₃สน₄/(Cu, Ni)₆Sn₅ในช่วงเวลาของการเสื่อมสภาพ ปัญหาที่คล้ายกันจะเกิดขึ้นเมื่อใช้บัดกรี SAC เชื่อมต่อกับนิกเกิล เนื่องจากโลหะผสมบัดกรีชนิดนี้มีแหล่งทองแดงอยู่

2). แบล็กแพดเป็นปรากฏการณ์เฉพาะที่เกี่ยวข้องกับความเปราะซึ่งได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของ ENIG Ni/Au ความเปราะอย่างชัดเจนจะเกิดขึ้นที่แผ่นรองหรือบริเวณรอบ ๆ เนื่องจากความสามารถในการเชื่อมประสานของผิว Ni(P) ไม่เพียงพอ ซึ่งท้ายที่สุดจะทำให้ความทนทานต่อความล้าทางกลลดลง แบล็กแพดมีความสัมพันธ์กับปรากฏการณ์การแตกร้าวของจุดเชื่อมบัดกรี ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม ผลกระทบที่เป็นอันตรายของแบล็กแพดนั้นเกี่ยวข้องกับความเปราะอีกแบบหนึ่งที่โครงสร้างโลหะผสมที่เหมาะสมจะเสื่อมสภาพลงเมื่อเวลาผ่านไป

3). ในระหว่างปรากฏการณ์แผ่นดำ (black pad effect) และกระบวนการเสื่อมสภาพ เมื่อโครงสร้าง IMC มีความเปราะบนแผ่นรอง ENIG Ni/Au บทบาทของบัดกรี SAC มีความสำคัญมากกว่าบัดกรี SnPb การบัดกรีปลอดสารตะกั่วควรหลีกเลี่ยงหรือทำให้กระบวนการที่ก่อให้เกิดความเปราะลดลง ซึ่งมีสาเหตุมาจากการหนาตัวของทองคำ (Au) ในชั้นเคลือบ Ni/Au

4). แม้แต่รอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (thermal cycle) ที่พบได้บ่อยที่สุดก็มักต้องการให้ข้อต่อประสานมีความสามารถในการทนต่อภาระคืบ (creep load) ที่เกิดขึ้นในแต่ละรอบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ดังนั้นโครงสร้างของ IMC บนแผ่นรอง (pad) จึงต้องทนต่อภาระที่เกิดจากการคืบของบัดกรี ภาระทางกลภายนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งภาระที่เกิดจากแรงกระแทกทางกลของระบบ ทำให้การคืบของบัดกรีมักมีค่าสูงมาก เนื่องจากการเสียรูปที่เกิดจากการคืบในข้อต่อประสานมีขนาดใหญ่เกินไป ผลลัพธ์คือ แม้โครงสร้าง IMC จะสามารถทนต่อภาระได้อย่างเต็มที่ในระหว่างรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ จุดเชื่อมต่อที่เปราะบางที่สุดก็ยังคงเกิดขึ้นได้ในระหว่างการทดสอบแรงเฉือนหรือแรงดึง

5). Au ที่มีการเติมบัดกรี SnPb ในกระบวนการบัดกรีรีโฟลว์จะค่อย ๆ กลับไปยังผิวหน้า Ni ในกระบวนการเสื่อมสภาพภายหลัง ทำให้เกิด (Ni, Au)₃Sn₄สะสมบน Ni₃สน₄IMC. อินเทอร์เฟซที่เกิดขึ้นดังกล่าวมีความไม่เสถียรและจะลดลงเมื่อ (Ni, Au) ได้รับการปรับปรุง₃สน₄ความหนา

• อันตรายของการเสื่อมสภาพในสถานะของแข็งต่อความเชื่อถือได้ของข้อต่อประสาน

การบ่มในเฟสของแข็งอาจทำให้ชั้น IMC บริเวณรอยต่อมีความหนามากขึ้น พร้อมทั้งเปลี่ยนรูปร่างจากลักษณะเป็นคลื่น (scalloped) ไปเป็นชั้นเรียบสม่ำเสมอ ระหว่างการบ่มในเฟสของแข็ง จะเกิด IMC ที่รอยต่อมากเกินไปพร้อมกับการแยกตัวของธาตุเคมีบางชนิดที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการเกิด IMC เนื่องจากผลคีร์เคนดอลล์ (Kirkendall effect) ทำให้ความหนาแน่นของวัสดุลดลงระหว่างกระบวนการเกิด IMC การบ่มในเฟสของแข็งที่มากเกินไปจึงทำให้เกิดโพรงจำนวนมากบริเวณรอยต่อระหว่างประสาน/แผ่นรอง

PCBCart นำเสนอเทคนิคการผลิตการบัดกรีด้วยตะกั่วและการบัดกรีปลอดตะกั่วสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB Assembly)

เราเข้าใจดีว่าโครงการแต่ละประเภทต้องการเทคนิคการบัดกรีที่แตกต่างกัน เพื่อให้ตอบสนองความต้องการของลูกค้าทุกราย เราจึงมีทั้งเทคนิคการผลิตการบัดกรีแบบมีสารตะกั่วและการบัดกรีปลอดสารตะกั่วสำหรับการประกอบแผงวงจรพิมพ์ ต้องการทราบว่าค่าใช้จ่ายงานประกอบ PCB ของคุณเท่าไหร่หรือไม่ คลิกปุ่มด้านล่างเพื่อรับใบเสนอราคา PCBA ได้ฟรีโดยไม่เสียค่าใช้จ่าย!

ขอใบเสนอราคาประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) - การบัดกรีแบบมีตะกั่ว/ปลอดตะกั่ว

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชัน
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงพร้อมตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•การแนะนำเทคโนโลยีการผลิตแผงวงจรพิมพ์ปลอดสารตะกั่ว
•การเปรียบเทียบระหว่างกระบวนการผลิตการบัดกรีด้วยตะกั่วและการบัดกรีปลอดตะกั่วใน PCBA
•การเปรียบเทียบเทคโนโลยีการบัดกรีที่ใช้ในกระบวนการบัดกรีแบบคลื่นด้วยตะกั่วและปลอดตะกั่ว