Виды припоя для пайки: характеристики, применение и особенности выбора

С 2006 года бессвинцовая пайка является основным направлением в промышленности, поскольку с 1 июля 2006 года вступил в силу RoHS 1. Внесены многие изменения в состав сплава, чтобы соответствовать требованиям паяного соединения с определением бессвинцовой пайки.Олово-медь (SnCu), олово-серебро (SnAg) и олово-серебро-медь (SnAgCu или SAC) являются преобладающими бессвинцовыми припоями, применяемыми в промышленности.

SAC получил наибольшую известность на начальном этапе перехода от SnPb-6337 к бессвинцовому припою. Одна из причин заключалась в том, что сплав SAC с 3,0% серебра (Ag) и 0,5% меди (Cu), SAC305 был одобрен IPC Solder Value Product Council в качестве предпочтительного варианта для сборки SMT. Помимо SAC305, промышленность также приняла другие сплавы SAC с более высоким содержанием серебра, такие как Sn3.8Ag0.7Cu (SAC387) и Sn4.0Ag0.5Cu (SAC405), которые, как полагают, являются истинно эвтектическими тройными припоями, имеющими единственную точку плавления при 217 ° C. SAC305 — это трехкомпонентный доэвтектический сплав с интервалом плавления 217–219 ° C. Однако высокая стоимость серебра вынуждает промышленность рассматривать другие альтернативы, такие как раствор с низким содержанием серебра, SAC0307, ​​или отсутствие растворов серебра, например SnCuNi (SN100C ^® ). Более подробное обсуждение этой темы будет рассмотрено в Разделе 2 этой главы.

Требования к характеристикам паяных соединений ужесточаются для поддержки современной электронизации.Особенно это касается автомобильной промышленности. В современной автомобильной системе все чаще используются передовые электронные компоненты, например, в логическом управлении, переключателях и датчиках. Внедрение электронных компонентов значительно повысило скорость и точность этих систем. Электронизация автомобильных систем, таких как усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS), дала потребителю новый уровень опыта вождения. С другой стороны, включение мультимедийной системы в автомобильную систему, которая должна повысить уровень комфорта водителя, еще больше увеличило использование электронных компонентов в автомобиле.Это объясняет, что рост автомобильной электроники в последние годы превысил рост других отраслей [2]. Из-за суровых условий эксплуатации, когда температура под капотом намного выше, чем в других приложениях, требования к характеристикам паяного соединения выше. Более того, эти системы считаются жизненно важными, что усложняет выбор подходящего припоя. В связи с такими новыми требованиями производители припоев и исследователи стремятся изобрести новый сплав, который может поддерживать эту платформу.Это также означает, что обычные бессвинцовые припои, такие как SnCu, SAC и низкий SAC, демонстрируют ограничения в удовлетворении требований таких приложений. Различные механизмы упрочнения припоев на основе олова, применяемые в промышленности, будут рассмотрены в разделе 3 этой главы.

Помимо автомобильных систем, популяризация электромобилей способствовала дальнейшему использованию электронных компонентов в автомобильной промышленности. Принимая во внимание тот факт, что этот тип системы включает в себя сильноточные и высокотемпературные, обычные бессвинцовые сплавы SAC не могут удовлетворить основные требования.Это причина, по которой освобождение от соблюдения требований RoHS было продлено до 2021 года для использования Pb в припоях с высокой температурой плавления (то есть в припоях на основе Pb, содержащих 85% по массе или более Pb, Категория 7a). В настоящее время в большинстве электронных устройств для такого применения все еще используется припой с высоким содержанием свинца в качестве материала крепления кристалла. Существуют различные варианты замены припоя с высоким содержанием свинца в процессе присоединения матрицы. Но есть еще пробелы, которые необходимо заполнить, прежде чем такие новые материалы смогут быть полностью коммерциализированы и массовое внедрение таких новых материалов в текущее производство.

Интернет вещей (IoT) привлек большое внимание промышленности. Многие игроки отрасли считают, что Интернет вещей приведет к переходу электронных компонентов на новый уровень — в эпоху Интернета вещей. Интернет вещей изменил бизнес-процессы многих крупных организаций, подготовив их к работе на этой волне. Чтобы упростить интерпретацию Интернета вещей, это приложение, которое позволяет широко использовать сенсоры в нашей повседневной жизни. В IoT также есть платформа, которая может подключать все соответствующие датчики для анализа данных и активации.Цель Интернета вещей — сделать мир умнее. По данным Business Insider , в 2014 году было 1,9 миллиарда взаимосвязанных устройств, а к 2018 году ожидается 9 миллиардов. К тому времени количество устройств Интернета вещей превысит сумму мобильных телефонов, планшетов и ПК, которые в настоящее время являются основными. потребительский рынок. При таком большом количестве устройств IoT использование припоя в качестве межсоединения также является перспективным. При выборе припоя для удовлетворения требований этого сектора основное внимание будет уделяться соблюдению конкретных критериев производства, надежности, токсичности, стоимости и доступности.

Ввиду перспективного роста количества электронных компонентов и новых требований к паяным соединениям производители припоев и исследователи совместно работают над разработкой нового сплава или изменением существующих сплавов, чтобы сократить разрыв между пользователем и поставщиком припоя. В следующих главах обсуждается эволюция бессвинцового сплава и методы, используемые для повышения прочности припоя.

2. Эволюция припоя с высоким содержанием серебра к припою с низким содержанием серебра

В 2000-х годах система SAC была определена как замена эвтектических припоев Sn-Pb в соответствии с требованиями RoHS.Разные страны или организации выбрали разный состав SAC в качестве предпочтительного состава припоя. Это Sn3.0Ag0.5Cu, SAC305 (Япония), Sn3.5Ag0.9Cu, SAC3509 (Европейский Союз) и Sn3. 9Ag0.6Cu, SAC3906 (США) [3].

В 2000 году это была эра потребительских товаров, которые включали в себя многие электронные компоненты в свои системы, такие как персональный компьютер, телевизор, радио, рисоварку и кондиционер на окнах. В этих продуктах в основном использовались компоненты для сквозных отверстий и / или компоненты для поверхностного монтажа (SMT).Это означает, что расход припоя на единицу устройства в тот период времени был огромным. Это объясняет причину массового внедрения SAC305 вместо других бессвинцовых решений. Это связано с более низким содержанием серебра в SAC305 по сравнению с другими сплавами SAC, упомянутыми в предыдущем абзаце. Серебро — драгоценный металл, и его включение в припой значительно увеличивает стоимость припоя. Например, для производства 1 кг SAC305 необходимо добавить 1 унцию серебра. Это зависит от рыночной цены серебра, при условии, что 20 долларов США за унцию, стоимость серебра в 1 кг SAC305 составляет почти 50% от продажной цены 1 кг прутка SAC305. Когда цена серебра резко возрастает, например, в апреле 2011 года, когда цена серебра составляла 40 долларов США за унцию, стоимость серебра в прутке припоя SAC305 составляла более 50% от его продажной цены. Для композиций с более высоким содержанием серебра соотношение цены серебра к отпускной цене прутка припоя обычно составляет более 50% в зависимости от цены олова. Это становится большим бременем для паятелей. Припой в основном используется в процессе пайки волной припоя. Это был очень распространенный процесс сборки печатных плат (PCBA) для упомянутых выше потребительских товаров.Во время пика этой эпохи потребление прутков припоя могло превышать 2000 кг в месяц для одного клиента, у которого в производстве более 10 линий пайки волной припоя. Другая причина массового внедрения SAC305 вместо другого сплава SAC с более высоким содержанием серебра — это скорее политическая причина. В то время японские потребительские товары были очень популярны и распространены. Электрическая рисоварка марки National должна быть одним из обязательных электроприборов в каждом доме. SAC305 был признан Японской ассоциацией производителей электроники и информационных технологий, JEITA также рекомендовала бессвинцовый сплав.

Тем не менее, промышленность очень быстро искала альтернативы для SAC305 после его внедрения в промышленность, даже несмотря на то, что он был принят в качестве бессвинцового сплава вместо припоя SnPb-6337. В целом, есть две основные причины в оправдание этого направления: стоимость и ударопрочность сплава SAC305. Пользователи искали альтернативу, чтобы снизить высокую стоимость SAC305, как упоминалось выше. Это было время, когда сплавы с низким содержанием SAC начали присоединяться к цепочке поставок припоя.В таблице 2 перечислены некоторые доступные на рынке сплавы с низким содержанием ПАВ, предлагаемые различными поставщиками припоев. Внедрение этих сплавов с низким содержанием SAC произошло всего через 2 года после массового внедрения сплава SAC305 в качестве бессвинцового припоя в промышленности. Тем не менее, SAC305 по-прежнему является основным сплавом, принятым в промышленности после 10 лет принятия RoHS. Стоит отметить, что Nihon Superior представила раствор без содержания серебра и свинца с 1999 года. Он стал основным решением при пайке, особенно при пайке волной и бессвинцовой пайке горячим воздухом (HASL).

Производитель припоя	Состав сплава	Солидус (° C)	Ликвидус (° C)	Дебют (год)
A Решения для сборки Alpha .7Cu	216	225	2007–2010
	Sn0.3Ag0.7Cu	217	228	2007–2010
Senju Metal Industry 1. 3Ag0.7Cu	217	227	2007–2010
	Sn1.0Ag0.7Cu	217	224	2007–2010
	Indium201
Indium Corporation		225	2007–2010
	Sn0.3Ag0.7Cu	217	227	2007–2010
Nippon Micrometal Corporation	Sn1.20N20N0.5	2000-е годы
Nihon Superior	Sn0.7Cu0.05Ni0.01Ge	227	227	1999

Таблица 2.

Список припоев с низким содержанием SAC и припоев без серебра в качестве альтернативы SAC305.

При более низком содержании серебра в сплаве SAC некоторые пользователи надеялись уменьшить полость горячего разрыва или усадки. Это явление, которое сначала считалось дефектом процесса, было обнаружено при переходе пользователей с SnPb-6337 на SAC305. На сегодняшний день это явление вызывает недоумение у многих пользователей, хотя IPC классифицирует его как приемлемое.На рис. 1 показано сравнение нескольких сплавов с низким содержанием ПАВ и эвтектического сплава олово-медь-никель.

Рис. 1.

Сравнение внешнего вида различных сплавов SAC и эвтектического сплава SnCuNi.

Помимо внешнего вида припоя, разница в котором легко заметна, пользователей также беспокоила надежность низкого SAC, особенно интерметаллического соединения (IMC), образующегося между припоем и паяльной площадкой. На рисунках 2 и 3 показаны IMC SAC 305, low SAC, SAC1205 и бессвинцовый припой (SnCuNi) на медной (Cu) и никелево-золотой (NiAu) площадке, соответственно. Оба сплава SAC независимо от содержания Ag демонстрировали столбчатый рост IMC, и IMC продолжал расти во время термообработки при 125 ° C в течение 500 часов. SnCuNi IMC оказался плоским и стабильным даже после термообработки. Помимо столбчатого IMC, трещина наблюдалась на подушке из Cu после термообработки в IMC сплава SAC305, но не в сплавах SAC1205 и SnCuNi. Это наблюдение соответствовало объяснению, предложенному Nogita et al. в своем дневнике [4]. Добавление Ni в бессвинцовый сплав успешно подавило полиморфное превращение Cu ₆ Sn ₅ , которое является виновником этой трещины IMC.Происходит превращение гексагональной в моноклинную Cu ₆ Sn ₅ и наоборот при температуре 186 ° C из-за аллотропного свойства Cu ₆ Sn ₅ . Это преобразование включает изменение объема Cu ₆ Sn ₅ IMC, что вызывает высокие напряжения в этом слое. Напряжение превысило прочность этого IMC и вызвало трещину в этом слое. Микротрещины могли образоваться внутри SAC305 IMC в процессе затвердевания соединения, и трещины распространялись во время термообработки из-за роста IMC.Это объясняет, почему трещина все еще образовывалась, даже несмотря на то, что температура термообработки составляла всего 125 ° C, что было намного ниже температуры полиморфного превращения.

Рис. 2.

IMC, сформированный на медной подушке с припоем SnCuNi (SN100C®), SAC305 и SAC1205 (LF35).

Рис. 3.

IMC, сформированный на контактной площадке NiAu с припоем из сплава SnCuNi (SN100C®), SAC305 и SAC1205 (LF35).

Помимо упомянутой выше проблемы стоимости, еще одной движущей силой, которая побудила промышленность рассматривать сплав с низким содержанием SAC, была устойчивость к ударам при падении.Широко признано, что добавление серебра может эффективно снижать ликвидус и увеличивать предел текучести и модуль упругости сплава SAC; также из-за высокой прочности и высокого модуля упругости, благодаря которым сплав легко передает напряжение на поверхность стыка припоя, которая является областью IMC [5]. Из-за этого механизма большинство отказов, обнаруженных при испытании на ударопрочность при падении с обычными сплавами SAC, в основном происходит в области IMC, и большинство этих отказов являются ранними отказами. При уменьшении содержания Ag в сплаве SAC модуль сплава уменьшается.Это значительно повысило устойчивость к ударам при падении. Стремление к поиску сплава с высокой ударопрочностью при падении еще больше возросло из-за популярности портативных устройств в середине 2000-х до конца 2000-х. В то время портативные музыкальные плееры, такие как MP3-плееры и iPod, а также портативные игровые консоли были очень распространены. Устойчивость к ударам при падении имела решающее значение для сохранения разумной надежности таких устройств. Например, во время первоначальной реализации бессвинцовой пайки большая часть шариков припоя использовалась в массиве шариковой сетки, корпус BGA — это композиция SAC305.Многие мобильные интегральные схемы и ИС были переведены на шарик припоя BGA LF35 или SAC1205, чтобы повысить производительность ИС при испытании на падение. Однако только снижение содержания Ag в сплаве SAC не дало полного решения, которое оправдало бы ожидания пользователей. Производители припоев применили множество других видов микролегирования, чтобы повысить характеристики сплава с низким содержанием SAC, например, добавляя никель, Ni, цинк, Zn и марганец, Mn в систему сплава. Как показано на Фигуре 2, добавление Ni в композицию LF35 подавило полиморфное превращение Cu ₆ Sn ₅ во время затвердевания.Этого нельзя добиться только за счет снижения содержания Ag в сплаве SAC.

Принятие решений с низким содержанием SAC или SnCuNi в качестве бессвинцовых растворов также поощряется готовностью других материалов к процессу бессвинцовой пайки. Одной из основных проблем при использовании сплава с низким содержанием SAC или SnCuNi является высокая температура плавления этого сплава. Он имеет температуру плавления примерно на 44 и 10 ° C выше, чем у эвтектического сплава SnPb и сплава SAC соответственно. Однако сейчас рынок более готов к бессвинцовой пайке. Машины для пайки оплавлением и волной припоя обладают более высокой теплоемкостью, чтобы соответствовать высокой температуре плавления бессвинцового припоя, печатных плат и электронных компонентов используются материалы с более высокой температурой стеклования (Tg), а паяльный флюс может дольше выдерживать высокотемпературное оплавление. Все эти усовершенствования позволили использовать при пайке сплав SnCuNi с низким содержанием SAC. Этим также объясняется рост доли рынка сплавов с низким содержанием SAC и SnCuNi в последние годы. SN100C ^® стал одним из предпочтительных вариантов для бессвинцовой пайки волной припоя.

Короче говоря, есть две движущие силы, которые вызвали распространение сплавов с низким содержанием SAC и SnCuNi для электронной промышленности. Кто-то назвал низкий SAC вторым поколением бессвинцовых сплавов. На рисунке 4 показана эволюция этого бессвинцового сплава от обычного SAC к сплаву с низким SAC для электронной промышленности. Этот переход очень важен для поддержки эпохи Интернета вещей. Одна из характеристик Интернета вещей — огромное количество. Широкое использование электронных компонентов в эпоху Интернета вещей также требует использования припоя.Тип припоя для этой эпохи должен соответствовать конкретным требованиям в отношении технологичности, надежности, токсичности, стоимости и доступности. Бессвинцовый сплав второго поколения должен быть лучшим выбором для эпохи Интернета вещей.

Рис. 4.

Эволюция SAC-сплавов в бессвинцовых растворах от первого до второго поколения.

В следующем разделе обсуждается превращение бессвинцового сплава в сплав третьего поколения для обеспечения высокой надежности.

3.Требуется сплав высокой надежности

Как обсуждалось в разделе 2, из-за стоимости и устойчивости к ударам при падении происходит эволюция бессвинцового припоя от обычного сплава SAC с высоким содержанием серебра к сплавам с низким содержанием SAC. Это переход от SAC-сплавов первого поколения к SAC-сплавам второго поколения. Однако более низкое содержание Ag ухудшает характеристики термической усталости. Это связано с тем, что повышение прочности сплава SAC происходит за счет диспергирования очень небольшого количества Ag ₃ Sn IMC внутри оловянной матрицы.Этот мелкозернистый ИМС Ag ₃ Sn препятствует перемещению дислокаций оловянной матрицы. Благодаря этому механизму сплав SAC имеет более высокий модуль упругости по сравнению с SnPb-6337. Более высокое содержание Ag увеличивает количество мелкодисперсного Ag ₃ Sn IMC, но также увеличивает возможность роста тромбоцитов большого размера Ag ₃ Sn. Эта большая пластинка Ag ₃ Sn может быть точкой концентрации напряжения, и с этой точки будет возникать трещина. В крайнем случае, большая пластина из Ag ₃ Sn может даже выступать за поверхность припоя и деформировать небольшое паяное соединение [5].Следовательно, крупная пластина Ag ₃ Sn не является желательной морфологией в паяном соединении. Однако более низкое содержание Ag в сплавах с низким содержанием SAC приводит к огромному снижению количества Ag ₃ Sn IMC. Хотя существует другой IMC, который представляет собой Cu ₆ Sn ₅ в объемном припое, этот IMC намного меньше по сравнению с IMC Ag ₃ Sn обычных сплавов SAC. Более того, часть Cu из объемного припоя будет извлечена при формировании IMC на площадке из Cu. Это дополнительно снижает количество Cu ₆ Sn ₅ в объеме припоя.Таким образом, основной силой сплава SAC по-прежнему является дисперсия мелкодисперсного Ag ₃ Sn в оловянной матрице.

Компромисс в характеристиках термической усталости сплава SAC был дополнительно усложнен явлением укрупнения Ag ₃ Sn IMC. Укрупнение Ag ₃ Sn — это процесс созревания Оствальда. Это эволюционный процесс неоднородной структуры, в которой маленькая частица растет и притягивает соседнюю частицу с течением времени, образуя более крупную частицу.Это спонтанный процесс, потому что большая частица более энергетически стабильна, чем малая частица. Это потому, что внутреннее давление обратно пропорционально радиусу частицы. Следовательно, мелкие частицы имеют более высокую поверхностную энергию. Маленькие частицы будут пытаться достичь более высокой энергетической стабильности, увеличиваясь до большего размера. Это грубо. Кроме того, созревание Оствальда — это термодинамический процесс. При высокой температуре окружающей среды процесс огрубления усилится.Это укрупнение Ag ₃ Sn оказывает значительное влияние на прочность сплава SAC. Как обсуждалось ранее, прочность сплава SAC заключается в дисперсии мелкодисперсного Ag ₃ Sn IMC. На рисунке 5 показан пример укрупнения Ag ₃ Sn в сплаве SAC305 после воздействия высокой температуры 125 ° C в течение 6 месяцев.

Рис. 5.

Ag3Sn укрупняется при испытании на хранение при высокой температуре.

В процессе укрупнения будут наблюдаться два изменения: 1. Количество Ag ₃ Sn в оловянной матрице и 2.Расстояние между ИМС Ag ₃ Sn. Когда количество Ag ₃ Sn сокращается и расстояние между Ag ₃ Sn увеличивается, его способность препятствовать перемещению дислокаций уменьшается. Это процесс деградации сплавов SAC. Фактически, мы можем легко продемонстрировать этот механизм, подвергая сплав SAC воздействию высокой температуры окружающей среды в течение определенного периода времени. Предел прочности на разрыв сплава SAC снижается после термического старения. На рисунке 6 показан пример такого разрушения сплава SAC305.Это экспериментальные данные сравнения прочности образца для испытаний на растяжение из сплава SAC305 с выдержкой и без изотермического старения (150 ° С в течение 500 ч).

Рис. 6.

Прочность на растяжение SAC305 до и после изотермического старения при 150 ° C в течение 500 часов.

3.1. Высоконадежный припой для PCBA

Деградация сплавов SAC с течением времени вызывает беспокойство, потому что инженеру по надежности сложно спрогнозировать срок службы паяного соединения.Это особенно важно для таких жизненно важных систем, как электронная система в автомобиле или самолете. Как упоминалось в разделе 1, в последнее время автомобильная электроника растет очень агрессивно. Эта отрасль требует высокой надежности и отсутствия дефектов электронных компонентов. Есть запчасти от производителей оригинального оборудования (OEM), которые имеют длительный гарантированный срок службы от 10 до 15 лет. По этой причине в некоторых автомобильных приложениях до сих пор используется SnPb-6337.Поскольку бессвинцовая пайка становится все более распространенной даже в таких высокотехнологичных приложениях, а SAC305 по-прежнему является наиболее распространенным бессвинцовым сплавом, который, очевидно, не может удовлетворить требования высокой надежности таких приложений, возникает большая движущая сила, побуждающая производителей припоев и исследователям найти новый раствор бессвинцового сплава.

Помимо укрупнения Ag ₃ Sn, гомологическая температура паяльной системы становится выше из-за более высокой температуры окружающей среды.Чтобы сохранить прочность, особенно при усталости, необходим припой с более низкой гомологической температурой. Электронные компоненты, расположенные под капотом, — хороший тому пример. Это еще раз подтвердило необходимость в новом сплаве для удовлетворения будущих потребностей в надежности электроники.

Существуют консорциумы и некоммерческие организации, такие как Консорциум передовых исследований в области сборки электроники (AREA) и Международная инициатива по производству электроники (iNEMI), которые собирают экспертов по припоям, чтобы совместно определить новый бессвинцовый сплав для решения проблем, упомянутых выше [6] .Эти новые сплавы названы третьим поколением бессвинцовых сплавов, которые обладают превосходными характеристиками как по сопротивлению термической усталости, так и по сопротивлению ударам при падении, что соответствует высоким требованиям надежности паяных соединений. На рисунке 7 показана эволюция бессвинцовых сплавов от первого к третьему поколению.

Рис. 7.

Эволюция бессвинцовых сплавов от первого поколения к третьему поколению, высоконадежный сплав для тяжелых условий эксплуатации.

По-видимому, для повышения прочности требуется большее упрочнение бессвинцовых сплавов. Как обсуждалось ранее, в сплавах SAC используется метод упрочнения частицами для повышения прочности сплава. Основное улучшение происходит за счет диспергирования ИМК Ag ₃ Sn в оловянной матрице. Определенно, можно добавить больше Ag, чтобы повысить модуль упругости сплава, но это увеличит возможность образования пластинок Ag ₃ Sn. Кроме того, бессвинцовый сплав с высоким содержанием серебра имеет более низкую стойкость к ударам при падении. Высокое содержание Ag в системе сплава также увеличивает стоимость материала.Следовательно, нужен другой подход.

Упрочнение твердым раствором — один из вариантов упрочнения бессвинцового сплава. Фактически, упрочнение твердым раствором широко применялось в эпоху пайки SnPb, когда Pb добавлялся в Sn для улучшения характеристик сплава. Почему-то этот метод не применялся при переходе с SnPb на бессвинцовую пайку. В бессвинцовых сплавах Cu и Ag добавляются к олову по отдельности или вместе, чтобы получить наиболее широко используемые сплавы SAC, которые почти не растворяются в матрице β-олова. Cu и Ag появляются в микроструктуре только в виде интерметаллических соединений: Ag ₃ Sn и Cu ₆ Sn ₅ , как обсуждалось ранее. Конечно, Pb нельзя снова рассматривать как растворенное вещество в твердом растворе, упрочняющем из-за соответствия RoHS. Для достижения этой цели следует рассмотреть другие растворенные вещества, например висмут, Bi; Индий, В; и Сурьма, Сб. Эти три вещества являются наиболее распространенными и возможными кандидатами, выбранными производителями припоев и исследователями для повышения прочности бессвинцового сплава на основе Sn.Bi и In могут уменьшить ликвидус сплава на основе Sn, но Sb может увеличить ликвидус. Это зависит от требований конечного приложения. Если требуется припой с более низкой гомологической температурой, микролегирование с Bi или In может быть нецелесообразным. Тем не менее, Sb является запрещенным или ограниченным используемым веществом в некоторых приложениях, таких как мобильная и потребительская промышленность. Это ограничило использование этого вещества для микролегирования с целью повышения прочности припоя.

На начальном этапе внедрения бессвинцовой пайки, примерно в 2006 году, была сформирована рабочая группа по разработке более прочного бессвинцового сплава для автомобильной промышленности.С тех пор промышленность понимает необходимость более прочного сплава для будущих требований к автомобильной электронике. В эту рабочую группу входят Siemens, Bosch, Heraeus, Alpha Metals, Infineon, Институт Фраунгофера и т. Д. 90iSC стал результатом усилий этой группы. 90iSC — это сплав SAC с высоким содержанием серебра и добавками Bi, Sb и Ni. Это очень сложная система, в которой невозможно полностью понять и оценить характеристики и надежность. Производители припоев, такие как Nihon Superior, приняли более простой подход, просто микролегируя Bi в систему SnCuNi, чтобы получить более прочный сплав.Это SN100CV ^® . Без добавления Ag в SN100CV ^® можно снять беспокойство по поводу разрушения сплава из-за укрупнения Ag ₃ Sn. Многие пользователи все еще могут скептически относиться к бессвинцовому сплаву без добавления Ag. Их беспокоит прочность этого бессвинцового припоя, не содержащего серебра. Фактически, упрочнение твердого раствора с добавлением Bi даже более эффективно для повышения прочности сплава на растяжение. Например, в SN100CV ^® микролегирование 1,5% Bi может значительно повысить предел прочности сплава SnCuNi и сделать его еще более прочным по сравнению с SAC305, который содержит 3% Ag.На рисунке 8 показано сравнение прочности на разрыв трех сплавов: SnCuNi (SN100C ^® ), SnCuNiBi (SN100CV ^® ) и SnAgCu (SAC305).

Рис. 8.

Сравнение прочности на растяжение трех сплавов в литом состоянии.

Помимо сравнения в состоянии литья, три различных сплава, показанные на рисунке 8, были подвергнуты термическому старению при 150 ° C в течение 500 часов. После термического старения были собраны данные о прочности на разрыв. Как и ожидалось, существует значительная деградация прочности образца SAC305 из-за укрупнения Ag ₃ Sn. Падение прочности на разрыв как для SnCuNi, так и для SnCuNiBi минимально. На рисунке 9 приведены сравнительные данные после термического старения.

Рис. 9.

Сравнение прочности на разрыв для трех сплавов в литом состоянии и после термического старения.

Однако выбор правильного соотношения Bi в системе SnCuNi является сложной задачей. Если добавлено слишком мало Bi, эффект упрочнения твердого раствора незначителен. Но если добавить слишком много Bi, произойдет осаждение Bi из β-олова. На рис. 10 показана прочность на разрыв различных сплавов до и после термического старения при 150 ° C в течение 500 ч.

Рис. 10.

Прочность на растяжение исследуемых сплавов в литом состоянии и после термического старения при 150 ° C в течение 500 часов.

3.2. Высоконадежный припой для прикрепления матрицы

Использование припоя не ограничивается межсоединениями между электронными компонентами и печатной платой в процессе печатной платы. В электронных компонентах, таких как интегральная схема (IC), припой использовался в качестве материала для крепления кристалла, особенно в устройстве, где требуется высокая тепловая и электрическая связь между задней стороной кристалла и выводной рамкой или подложкой. Этот тип ИС включает высокомощные устройства и высокоскоростные переключатели, такие как силовой полевой МОП-транзистор, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), мощные диод и транзистор, выпрямитель и инвертор. Из-за высокой рабочей температуры такой ИС, которая обычно превышает 260 ° C, промышленность по-прежнему освобождена от соблюдения требований RoHS, и они по-прежнему используют припои с высоким содержанием свинца, такие как Pb5Sn и Pb5Sn2.5Ag, в процессе прикрепления кристаллов. Это связано с тем, что обычные бессвинцовые сплавы на основе Sn имеют температуру плавления ниже 260 ° C.Комитет RoHS разрешает еще 5 лет продления этого исключения в 2016 году из-за технических ограничений, связанных с существующими технологиями. До сих пор нет простого решения по замене припоя с высоким содержанием свинца для такого применения.

Поскольку большинство бессвинцовых сплавов на основе Sn имеют солидус ниже 260 ° C, другие бессвинцовые сплавы, такие как золото-олово (AuSn), висмут-серебро (BiAg) и цинк-алюминий (ZnAl), считаются кандидаты на замену припоя с высоким содержанием свинца, который в настоящее время является материалом для крепления высокотемпературных кристаллов. Однако у этих сплавов есть некоторые ограничения, которые производителям необходимо преодолеть, прежде чем станет возможным массовое внедрение. К ограничениям относятся высокая стоимость (AuSn), низкая теплопроводность, плохая смачиваемость (BiAg) и низкая обрабатываемость из-за хрупкости (ZnAl). Indium Corporation инновационно улучшила характеристики BiAg, чтобы сделать его более удобным для пользователя процессом присоединения штампа. Чтобы улучшить смачиваемость BiAg, эта компания представила паяльную пасту, состоящую из двух типов припоя.Первый тип — это основной порошок, который представляет собой BiAg, и второстепенный порошок, который представляет собой порошок добавки. Порошок добавки имеет более низкую температуру плавления, чем BiAg, и лучшую смачиваемость на обычной паяльной площадке. Порошок добавки может быть известной эвтектикой SnBi, сплавом SAC или сплавом SnAg. В процессе оплавления порошок добавки сначала плавится и реагирует с паяльной площадкой, затем следует плавление большей части порошка, которым является BiAg. Это необратимый процесс, потому что второстепенный порошок будет полностью израсходован или вступит в реакцию с основным порошком во время процесса оплавления.Соединение, сформированное с использованием этой паяльной пасты, будет иметь такие же свойства, что и BiAg, который составляет большую часть этой паяльной пасты. Требуются дополнительные исследования для оценки пригодности этой паяльной пасты для замены сплава с высоким содержанием свинца. Солидус BiAg все еще ниже, чем у припоя с высоким содержанием свинца. Следовательно, гомологичная температура для этих двух припоев разная.

Помимо припоев, промышленность также активно работает над разработкой спекаемого материала для замены припоя с высоким содержанием свинца.Движущей силой разработки спекаемого материала является не только замена существующего припоя с высоким содержанием свинца, но и подготовка решения для будущего применения. Согласно плану развития ИС, рабочая температура ИС может достигать 600 ° C, особенно для кристалла из карбида кремния (SiC). При такой высокой рабочей температуре это будет проблемой для обычного припоя. Спекание — это процесс атомной диффузии. Для ускорения этого процесса диффузии могут применяться тепло и давление. Атомы в частицах порошка диффундируют через границы частиц, сплавляя частицы вместе и создавая одну твердую деталь (объемный материал).Другими словами, для завершения процесса спекания требуется более низкая температура процесса, чем точка плавления материала. В процессе спекания не происходит плавления. Соединение, образованное после спекания, будет иметь характеристики, аналогичные сыпучему материалу. Поскольку Ag является наиболее распространенным основным ингредиентом для спекания, соединение, образованное спекаемым материалом Ag, будет повторно плавиться только тогда, когда температура превысит точку плавления Ag, которая составляет 961 ° C. Это главная привлекательность агломерационного материала Ag, используемого в этом приложении.Фактически, агломерационные материалы из серебра были изучены в промышленности еще в 1980-х годах. Но для завершения процесса в течение этого периода по-прежнему требовались высокие температура и давление спекания. Это сделало прием этого материала низким. Благодаря недавней разработке наночастиц Ag, процесс спекания может быть завершен в приемлемом диапазоне температур спекания. Компания Nihon Superior разработала пасту для спекания Ag Alconano ^® , которая продемонстрировала хорошее качество соединения серебра на стыковочном слое штампа при температуре спекания до 200 ° C.Это возможно только благодаря наноразмерным частицам Ag, которые обладают высокой поверхностной энергией. Задача производства агломерирующей пасты из серебра состоит не только в получении частиц серебра, но и в разработке правильной системы пассивации для поддержания частиц в хорошем состоянии до начала процесса спекания. Alconano ^® использует спирт в качестве пассивирующей системы, которая образует алкоксиды с атомами серебра на поверхности наночастиц. Преимущество этих химикатов в этом применении состоит в том, что связь кислород-серебро, которая достаточно прочна для стабилизации наночастиц во время производственных процессов и последующего хранения и обращения, достаточно слабая, чтобы ее можно было разорвать при относительно низкой температуре, чтобы обнажить активный элемент. поверхность наночастицы, чтобы она могла связываться с соседними частицами.Еще одно преимущество использования спирта в качестве пассивирующей системы заключается в том, что он не оставляет вредных остатков после процесса спекания. Остаток не содержит соединений серы и азота, которые могут влиять на характеристики спеченного серебра и способствовать возникновению проблем коррозии при эксплуатации. Проблема массового внедрения пасты для спекания Ag не ограничивается только ее производством. Применение этой пасты при прикреплении штампа также является сложной задачей. Для разработки соответствующего набора параметров процесса требуется много инженерных работ.Соединение из спеченного серебра представляет собой пористый слой. Фактически, эта пористость необходима для того, чтобы Ag стал подходящим соединением для крепления штампа. Объемное соединение Ag без какой-либо пористости может быть слишком жестким, чтобы поддерживать архитектуру IC. В таком случае трещина в штампе будет наиболее заметным дефектом в данной области. Получение правильных свойств этого соединения Ag должно быть совместным усилием между пользователем и поставщиком. Одним из преимуществ этой пасты для спекания Ag является то, что ее пористость можно регулировать с помощью процесса спекания. Изменяя давление и температуру во время спекания, можно достичь различного диапазона пористости.На рисунке 11 показан пример соединения Alconano ^® , спеченного из серебра, с пористостью менее 10%. Эти соединения были сформированы с параметрами спекания под давлением: 10 МПа, 300 ° C и время спекания 5 мин. Стабильность процентной пористости удовлетворительна. Помимо удовлетворительной технологичности, надежность соединения, выполненного из этого агломерационного материала Ag, должна быть на уровне или даже лучше, чем характеристики припоя с высоким содержанием свинца. У такого материала для крепления штампа есть две основные характеристики, на которые обращают внимание пользователи.Это теплопроводность и электрическая проводимость стыка. На основании недавнего отраслевого обзора бессвинцовых высокотемпературных крепежных материалов для штампов, теплопроводность является наиболее необходимым свойством для этого материала [7]. Очень важно поддерживать высокую теплопроводность на протяжении всего срока службы изделия. В некоторых случаях соединение теряет теплопроводность из-за трещины от термической усталости внутри соединения, особенно в горячей и циклической атмосфере. Поэтому при разработке Alconano ^® компания Nihon Superior сравнила характеристики Alconano ^® с припоем с высоким содержанием свинца и обычным припоем SAC после испытаний на надежность термоциклирования, −40 ° C / + 200 ° C со временем выдержки. 30 мин.Результаты сравнения показаны на рисунке 12.

Рисунок 11.

Проверка пористости после спекания под давлением на спекаемом соединении из серебра.

Рис. 12.

Изменение термического сопротивления высокотемпературного материала крепления матрицы в зависимости от термоциклирования. В качестве испытательной машины использовалась силиконовая матрица 10 × 10 мм на подложке из Al2O3 с пластинчатым теплоотводом из меди. Условия спекания составляли 300 ° C, поддерживаемое давление 40 МПа и продолжительность спекания 3 мин.

Бессвинцовый жидкофазный диффузионный материал (LPDB) — еще один новый материал, который потенциально может быть использован в качестве высокотемпературного бессвинцового материала для крепления кристаллов.Процесс связывания этого LPDB очень похож на процесс склеивания модифицированной пасты BiAg, упомянутой выше. Подобно модифицированной пасте BiAg, паста LPDB состоит из двух типов порошка: с высокой температурой плавления и низкой температурой плавления. В отличие от модифицированной пасты BiAg, в которой оба типа порошка будут плавиться во время процесса склеивания, порошок LPDB с высокой температурой плавления никогда не будет плавиться во время процесса склеивания, а только порошок с низкой температурой плавления будет плавиться и вступать в реакцию с площадками для пайки и одновременно реагировать с высокоплавкий порошок для образования нового IMC. В процессе склеивания происходит гомогенизация расплава. IMC будет образовываться из-за реакции между расплавленным порошком с низкой температурой плавления и порошком с высокой температурой плавления. И этот вновь образованный IMC имеет гораздо более высокую температуру плавления, чем порошок с низкой температурой плавления. Следовательно, расплав начнет затвердевать еще до начала охлаждения из-за изменения температуры плавления. После процесса склеивания соединение будет переплавляться только при температуре выше, чем температура склеивания. Вот почему этот материал также называют переходным жидкофазным диффузионным связывающим материалом.Компания Nihon Superior Co., Ltd. приняла участие в проекте лаборатории Эймса из Университета штата Айова в разработке этого материала LPDB. Лаборатория Эймса смешивает порошок Cu-10Ni с высокой температурой плавления с коммерческим мелкодисперсным порошком SN100C ^® , чтобы получить этот материал LPDB. В процессе связывания весь порошок SN100C ^® преобразуется в высокотемпературный (Cu, Ni) ₆ Sn ₅ IMC, который будет плавиться только при 525 ° C [8]. Это очень важная характеристика, позволяющая сделать его потенциально высокотемпературным бессвинцовым материалом для крепления кристаллов.Кроме того, добавка Ni в Cu ₆ Sn ₅ значительно улучшила свойства этого IMC. Это сделало его более прочным соединением, поскольку Ni препятствовал полиморфному превращению аллотропной Cu ₆ Sn ₅ , как обсуждалось ранее в этой главе. Согласно Choquette и Iver [8], добавка Ni в Cu ₆ Sn ₅ также должна улучшить пластичность и прочность соединения. Этот материал LPDB может быть потенциальным решением для замены припоя с высоким содержанием свинца, поскольку он может завершить соединение при обычной температуре оплавления (240–260 ° C), но он будет повторно плавиться только при 525 ° C.

4. Заключение

Из-за соответствия директиве RoHS, электронная промышленность перестала принимать стабильный и знакомый припой SnPb-6337, который десятилетиями использовался в качестве межсоединения, и перешла на бессвинцовый припой. Существует множество разработок бессвинцового припоя с целью удовлетворить ожидания пользователей в отношении технологичности и надежности. Такого рода разработки наводнили рынок множеством составов сплавов и усложнили пользователю выбор правильного бессвинцового сплава, который может оправдать их ожидания.Как правило, с 2006 года на рынок выводится три поколения бессвинцовых припоев. Бессвинцовый припой первого поколения — это обычный сплав SAC с содержанием серебра в подшипниках от 3,0 до 4,0%. Затем рынок переходит на сплавы с низким содержанием SAC из-за резкого роста цен на Ag в начале 2010-х годов и плохой стойкости к ударам при падении этих традиционных сплавов с SAC. В последнее время, в связи с агрессивным ростом автомобильной электроники и авионики, к бессвинцовому припою предъявлены новые требования в отношении надежности паяных соединений.Это третье поколение бессвинцовых сплавов, которые представляют собой систему сплавов, обеспечивающую длительный срок службы при термической усталости и стойкость к ударам при падении. С другой стороны, многие ИС и электронные компоненты все еще используют припой с высоким содержанием свинца (мягкий припой) в качестве материала для крепления кристаллов. Промышленности активно ищут альтернативы, не содержащие свинца. Системы сплавов, такие как AuSn, BiAg, ZnAl, агломерационный материал Ag и материал LPDB, являются потенциальными кандидатами в списке.

Благодарности

Эта публикация полностью финансируется Nihon Superior Co., Ltd. Автор благодарит отдел исследований и разработок Nihon Superior за поддержку в сборе и анализе данных. Автор также хотел бы выразить особую благодарность доктору Тетсуро Нишимура, господину Такатоши Нишимура и господину Кейту Свитману за их помощь и руководство в этой публикации.

Свойства и микроструктура бессвинцовых припоев Sn-Ag-Cu-X в электронных корпусах

SnAgCu считался одним из самых популярных бессвинцовых припоев из-за их хорошей надежности и механических свойств.Однако есть также много проблем, которые необходимо решить для припоев SnAgCu, таких как высокая температура плавления и плохая смачиваемость. Чтобы преодолеть эти недостатки и еще больше улучшить свойства припоев SnAgCu, многие исследователи предпочитают добавлять ряд легирующих элементов (In, Ti, Fe, Zn, Bi, Ni, Sb, Ga, Al и редкоземельные элементы) и наночастиц к припоям SnAgCu. В этой статье рассмотрена работа бессвинцовых припоев SnAgCu, содержащих легирующие элементы и наночастицы, и обсуждено влияние легирующих элементов и наночастиц на температуру плавления, смачиваемость, механические свойства, свойства твердости, микроструктуры, интерметаллиды и усы. .

1. Введение

Олово-свинцовые припои (SnPb) широко используются в электронных упаковках. Однако из-за растущей озабоченности по поводу токсичности свинца для окружающей среды и здоровья человека правительства многих стран приняли законы, запрещающие использование Pb из электронных приложений. Таким образом, исследование бессвинцового припоя стало важной темой исследований в области электронной упаковки.

В последние годы, чтобы заменить обычные припои Sn-Pb, были разработаны несколько типов бессвинцовых припоев на основе Sn, таких как SnAg, SnCu, SnZn, SnBi, SnIn и SnAgCu.Среди серий бессвинцовых припоев SnAgCu был предложен как наиболее многообещающий бессвинцовый припой для замены традиционного оловянно-свинцового припоя благодаря его хорошей надежности, превосходному сопротивлению ползучести и характеристикам термической усталости [1–3]. Однако остается еще много нерешенных вопросов. Например, припой SnAgCu имеет высокую температуру плавления, плохую смачиваемость, более грубую микроструктуру и так далее. Для дальнейшего улучшения свойств бессвинцового припоя используются два метода. Первый метод заключается в добавлении в припой SnAgCu легирующих элементов, таких как элемент Ga, который может улучшить смачиваемость.А добавление редкоземельных элементов может улучшить общие характеристики. Другой метод — добавление микро- или наночастиц. Он в основном состоит из металлических частиц, составных частиц, керамических частиц, углеродных нанотрубок и полимерных частиц. С изменением типа и размера добавляемых частиц свойства припоя SnAgCu становятся другими. Добавление металлических частиц может не только изменить микроструктуру припоя, но также появится новая фаза в матрице припоя, в то время как добавление частиц соединения или керамических частиц не может сформировать новую фазу.

В этом обзоре мы подводим итоги разработки припоев SnAgCu и анализируем влияние добавления четвертых элементов на температуру плавления, смачиваемость, механические свойства, свойства твердости, микроструктуру и интерметаллические соединения (IMC). В то же время мы также обсудим усы Sn, и были выдвинуты некоторые предложения, которые могут решить эту проблему.

2. Температура плавления

Температура плавления является важным фактором при разработке новых бессвинцовых припоев.Перспективный припойный сплав должен иметь низкую температуру плавления и узкий интервал плавления [4]. Как мы все знаем, эвтектический SnPb имеет температуру плавления 183 ° C, а температура плавления припоя SnAgCu составляет 217 ° C, что на 34 ° C выше, чем у эвтектического SnPb. Такая высокая температура плавления увеличит температуру оплавления и приведет к термическому повреждению полимерной подложки [5]. Между тем, он также увеличивает скорость растворения и растворимость Cu в расплавленном припое, тем самым улучшая скорость образования IMC.Это причина того, что IMCs слой SnAgCu толще, чем Sn-Pb. Следовательно, некоторые исследователи ожидают добавления четвертых элементов для снижения температуры плавления припоев SnAgCu.

Следы индия (In), добавленные в бессвинцовый припой SnAgCu, могут явно изменить характер плавления. В литературе [6] показано, что добавление 3,0 мас.% In при температурах солидуса и ликвидуса снизилось на 21,7 и 11,5 ° C соответственно по сравнению с 219,4 и 241,7 ° C для припоя Sn0,3Ag0,7Cu.Но In очень дорогой, добавление In может увеличить стоимость бессвинцовых припоев. Chuang et al. [7] предположили влияние Ti на температуру плавления припоя Sn3.5Ag0.5Cu (SAC). При добавлении элемента Ti температуры плавления меняются незначительно. Температуры ликвидуса составляют 220,95, 220,86 и 219,47 ° C для припоев SAC- x Ti с содержанием Ti 0,25, 0,5 и 1,0 мас.% Соответственно. Причем интервал плавления снижен с 4,66 до 2,88 ° С. Вообще говоря, узкий диапазон плавления припоя означает отличные термические свойства.В основном это связано с узким диапазоном плавления, объясняющим, что припои существуют в виде жидкой части в течение очень короткого времени во время затвердевания и могут образовывать надежные соединения в процессе оплавления. На рис. 1 представлена ​​кривая дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) SnAgCu, содержащего различные марганец (Mn) и титан (Ti). Показано, что припой Sn3.0Ag0.5Cu имеет только один эндотермический пик, а у припоя Sn1.0Ag0.5Cu (SAC) — два пика. Между тем, стоит отметить, что на степень переохлаждения проэвтектического Sn существенно повлияло добавление в припой SAC примесных легирующих элементов (Mn и Ti).Образец SAC-0.5Ti показал чрезвычайно подавленное переохлаждение всего на 4 ° C [8]. Добавление Fe в припой SnAgCu не сильно изменило температуру плавления [9]. Результаты ДСК продемонстрировали единственный пик припоя Sn3.6Ag0.9Cu. Однако есть два очевидных эндотермических пика (220 ° C и 235 ° C), которые появляются для припоя SnAgCu-0.2Fe. Это показывает, что плавление происходило в широком диапазоне температур. Это может быть связано с перекрытием пиков; первый пик может указывать на то, что припой частично расплавился.Добавление Fe, скорее всего, привело к смещению точки плавления от точки эвтектики к точке, близкой к точке эвтектики, а температура плавления припоя находится в диапазоне от 222,87 до 230 ° C, что выше, чем точка плавления припоя SnAgCu. (217 ° С). При добавлении 0,6 мас.% Fe был обнаружен только один эндотермический пик при 221,35 ° C, что свидетельствует о его эвтектическом составе. Эль-Дали и др. В [10] изучались ДСК-профили припоя Sn1.0Ag0.3Cu. ДСК показала два эндотермических пика между 220.1 ° С и 227,2 ° С. Два пика указывают на две стадии процесса плавления припоя SnAgCu. Согласно фазовой диаграмме тройного SnAgCu [11], две стадии были связаны с плавлением тройной эвтектики β -Sn + Ag ₃ Sn + η Cu ₆ Sn ₅ фазы и первичной β -Sn. Однако для припоя SnAgCu, содержащего Zn, на кривой ДСК появляется только один эндотермический пик, а температуры плавления составляют 222,8 и 220,8 ° C для SAC-2.0Zn и SAC-3.0Zn соответственно. Добавление Bi снижает температуру плавления припоя Sn3.8Ag0.7Cu (SAC) [12]. Установлено, что температуры солидуса SAC-2.0Bi и SAC-4.0Bi составили 213,08 и 206,40 ° C соответственно. Однако при добавлении слишком большого количества Bi появится отслоение паяного соединения. Сканирование методом ДСК припоя с низким содержанием Ag Sn0,5Ag0,7Cu (SAC), содержащего Ni, и результаты показали, что добавление Ni мало влияет на температуру плавления [13]. Пиковая температура припоев SAC, SAC-0,05Ni и SAC-0,1Ni составила 221 ° C.1, 222,9 и 223,4 ° С. Более того, значения диапазона плавления составляли 12,6, 11,9 и 12,8 ° C для SAC, SAC-0,05Ni и SAC-0,1Ni соответственно. Для припоя SnPb она очень близка к 11,5 ° C [14]. Об этом также сообщалось в литературе [15].

Хорошо известно, что добавление небольшого количества РЗЭ в металлы может значительно улучшить их свойства [16]. Однако это существенно не меняет температуру плавления. Кривые ДСК припоев Sn3.9Ag0.7Cu и Sn3.9Ag0.7Cu0.5RE исследовали Дудек и Чавла [17]; все припои демонстрируют единственный эндотермический пик между 217 ° C и 219 ° C, показывая начало плавления припоя SnAgCu.Выявлено, что добавление РЗЭ в припой Sn3.9Ag0.7Cu не влияет на характеристики плавления. Более того, также обнаружено, что добавление La оказывает минимальное воздействие, в то время как добавление Ce и Y увеличивает начальную температуру примерно на 2 ° C.

В последнее время многие исследователи также исследуют добавление наночастиц в припои SnAgCu для улучшения свойств и микроструктуры. Xiang et al. [18] сообщили, что добавление наночастиц Mn существенно не изменило температуру плавления Sn3.Припой 8Ag0.7Cu (SAC). Результаты показали, что начальные температуры плавления композитных припоев SAC-0,12Mn, SAC-0,18Mn и SAC-0,47Mn составляли 217 ° C, 217,3 ° C и 217,5 ° C соответственно. Небольшие количества наночастиц SiC, добавленные в припой Sn3.8Ag0.7Cu, не сильно изменяют температуру плавления. Четко выраженный эндотермический пик сдвигается от 219,9 ° C до 218,9 ° C при добавлении 0,2 мас.% SiC [19]. Al ₂ O ₃ наночастиц были добавлены в припой Sn3,5Ag0,5Cu.Во время процесса нагрева при анализе ДСК припой Sn3,5Ag0,5Cu показал эвтектический сплав с температурой плавления 221,2 ° C, которая несколько повысилась с увеличением количества нано-Al ₂ O ₃ частиц [20]. Чтобы определить влияние различных методов изготовления соединений и количества добавленного TiO ₂ на припой Sn3.0Ag0.5Cu (SAC), был использован анализ DSC. Использовали DSC-анализ. Результаты показали, что температура плавления припоя SAC и припоя, несущего 1 мас.% TiO ₂ наночастиц находились в диапазоне от 217 ° C до 217,64 ° C, с только эвтектическим пиком [21]. Аналогичное явление наблюдалось и в других исследованиях композитных припоев SAC [22]. Анализ методом ДСК был проведен, чтобы понять влияние добавления наночастиц ZnO к припою Sn3,5Ag0,5Cu (SAC) на его температуру плавления. Результаты ДСК показывают, что температуры плавления простого припоя SAC и композитного припоя SAC-0.5ZnO составляли около 221,18 ° C и 222,16 ° C, соответственно, с только эвтектическим пиком [23].Поведение плавления припоя Sn3.0Ag0.5Cu, армированного наноразмерными частицами ZrO ₂ , было исследовано Гейном и Чаном [24]. Температура плавления повышалась менее чем на 1 ° C, когда количество наночастиц ZrO ₂ составляло 1 мас.%.

Таким образом, добавление легирующих элементов и наночастиц на температуру плавления мало влияет. Однако была разработана новая печь для бессвинцовой пайки волной и оплавлением, которая может выполнять пайку при температуре ниже 250 ° C. Следовательно, указанные выше элементы, добавленные к припою SnAgCu, могут соответствовать требованиям настоящего процесса пайки, и нет необходимости вносить изменения в текущий процесс оплавления.Кроме того, в будущих исследованиях нам может потребоваться только убедиться, что добавление элементов может незначительно повлиять на плавление припоев SnAgCu.

3. Смачиваемость

Смачиваемость припоя можно определить как способность расплавленного припоя растекаться по подложке во время процесса оплавления [25]. Для процесса оплавления, температура нагрева при определенных условиях, только хорошая смачиваемость поверхности основного материала для образования хороших влажных стыков, а именно для образования паяных соединений.Паяные соединения несут все электронное устройство как механическую опору и электрические соединения; таким образом, паяные соединения напрямую определяют рабочие характеристики электронных продуктов. Для традиционного припоя SnPb из-за наличия Pb припой имеет лучшую смачиваемость. Но для бессвинцовых припоев смачиваемость, очевидно, может снизиться из-за замены Pb. Чтобы улучшить смачиваемость припоя, добавление легирующего элемента является горячим исследователем.Как правило, существует множество методов измерения смачиваемости, но метод баланса смачивания и метод распределения считаются относительно универсальными методами.

Добавление небольшого количества In в припой SnAgCu было исследовано Moser et al. [26]. Угол смачивания был уменьшен с 37 ° до 22 ° при добавлении 75 ат.% In. Испытания баланса смачивания были проведены на воздухе, чтобы показать смачиваемость Sn3.6Ag0.9Cu- x Fe, Fallahi et al. [9]. Обнаружено, что добавление 0.2 мас.% Fe увеличивают силу смачивания и уменьшают угол смачивания. Однако Fe было добавлено в количестве более 0,6 мас.%, Что привело к более низкой смачиваемости. Элемент Zn был включен в припои Sn3.8Ag0.7Cu Zhang et al. [27]. Смачиваемость припоев SnAgCu можно улучшить добавлением Zn. При содержании Zn до 0,8% припой Sn3.8Ag0.7Cu имел наименьший угол. Однако при добавлении 3% Zn угол смачивания был наибольшим. Это можно отнести к тому, что Zn легко окисляется; образование остатков оксида во время пайки может ухудшить смачиваемость припоя SnAgCu.Добавление небольшого количества Bi в припои SnAgCu может изменить характеристики смачивания. Ризви и др. [28] экспериментально продемонстрировали влияние 1,0 мас.% Bi на смачиваемость припоя Sn2,8Ag0,5Cu по сравнению со сплавом Sn-37Pb. Показано, что смачиваемость припоя Sn2.8Ag0.5Cu1.0Bi ниже, чем у традиционного припоя SnPb для всех типов флюсов и температур ванны припоя. Однако из-за высокой температуры пайки способствует процессу диффузии, тем самым уменьшая угол смачивания и улучшая характеристики смачивания.Более того, смачиваемость припоя Sn2.8Ag0.5Cu1.0Bi на Ni-подложке была ниже, чем у Cu-подложки. Исследователи объясняют, что атомы Ni диффундировали в припой через интерметаллические соединения (ИМС) намного медленнее, чем атомы Cu. Moser et al. [29] также исследовали влияние Bi на припой SnAgCu в защитной атмосфере Ar-H ₂ и обнаружили, что атмосфера Ar-H ₂ может лучше снизить поверхностное натяжение и улучшить смачиваемость. Это из-за того, что инертный газ может защитить припой, снижает вероятность контакта жидкого припоя с кислородом.Элемент Ga, содержащий припой Sn0.5Ag0.7Cu, был исследован Луо и др. [30]. Результаты показывают, что время смачивания и силы смачивания меняются в зависимости от Ga, когда Ga был добавлен в припой Sn0,5Ag0,7Cu до 0,5%, что приводит к уменьшению значений среднего времени смачивания (сила смачивания показывает тенденция к увеличению). При дальнейшем увеличении добавления Ga можно обнаружить увеличение времени смачивания. Из-за поверхностно-активных свойств Ga, Ga будет накапливаться на границе раздела припоя в состоянии плавления; затем поверхностное натяжение жидкого припоя было уменьшено [31].Следовательно, новые композитные припои показали лучшую смачиваемость. Лу и др. [32] подтвердили, что добавление элемента Mg в припой SnAgCu ухудшает характеристики смачивания, поскольку Mg очень склонен к окислению, а образование оксидной пленки увеличивает поверхностное натяжение жидкого припоя, что препятствует растеканию припоя по подложке из Cu. .

Редкоземельные элементы (РЗЭ) называют «витамином» металлов, что означает, что небольшое количество РЗЭ, очевидно, может улучшить свойства металлов [33].В ряду характеристик бессвинцового припоя смачиваемость при добавлении редкоземельных элементов является наиболее очевидным улучшением. Yu et al. [34] исследовали влияние РЗЭ (Ce и La) на припой SnAgCu, где температура пайки составляла 250 ° C и использовался флюс RMA. Установлено, что угол смачивания Sn2,5Ag0,7Cu выше, чем у Sn3,5Ag0,5Cu из-за более высокой температуры плавления Sn2,5Ag0,7Cu. А когда RE составляет менее 0,1 мас.%, Угол смачивания Sn3,5Ag0,7Cu уменьшается с увеличением RE.Поскольку содержание выше 0,1 мас.%, Угол смачивания увеличивается. Аналогичный результат был получен Law et al. [35]. На рис. 2 показано, что угол смачивания был уменьшен при добавлении РЭ элементов. Однако при добавлении чрезмерного количества RE-элемента угол смачивания увеличится. Тяжелый редкоземельный элемент Y может улучшить смачиваемость припоя Sn3,8Ag0,7Cu, при этом площади растекания увеличиваются, а углы смачивания уменьшаются по мере увеличения содержания Y. При добавлении 0,15 мас.% Y площади растекания и углы смачивания достигают пика, но когда Y превышает 0.На 15 мас.% Смачиваемость композиционного припоя заметно снизилась [36]. Редкоземельный элемент Er был включен в припой Sn3.8Ag0.7Cu, что может изменить характеристики смачивания [37]. Когда содержание Er составляет менее 0,25 мас.%, Площади растекания увеличиваются при добавлении элемента Er. Однако по мере того, как содержание элемента Er продолжает увеличиваться до 1,0 мас.%, Площади растекания будут уменьшаться. Смачиваемость припоя SnAgCu улучшается за счет добавления элемента Pr. Gao et al.[38, 39] обнаружили, что добавление следовых количеств Pr и Nd может значительно улучшить смачиваемость припоя Sn3,8Ag0,7Cu, где оптимальное смачивающее поведение было достигнуто, поскольку содержание RE составляет около 0,05 мас.% Из-за более низкой поверхности. напряжение, вызванное РЭ элементами. Добавление Yb в SnAgCu исследовали Zhang et al. [40]. В результате краевые углы уменьшались по мере увеличения содержания Yb. Когда добавка Yb составляла 0,05%, контактный угол может уменьшиться до максимального значения, но когда содержание Yb превышает 0.05%, заметно увеличились углы смачивания. Из-за более высокого сродства Sn к редкоземельным элементам в припоях. Во-первых, Sn имеет тенденцию реагировать с Yb с образованием частиц Sn-Yb, и реакция легко протекает, когда частицы Sn-Yb прилипают к подложке для образования зародышей, особенно для зарождения частиц в тройной точке на рисунке 3. ; когда частицы существуют в тройной точке, баланс между газом, твердым телом и жидкостью будет нарушен. Влияние добавления редкоземельного элемента Се, атмосферы и температуры на характеристики смачивания припоев SnAgCu- x Ce было изучено Ван и др.[41]. Результаты показывают, что с добавлением Ce заметно улучшается смачиваемость припоев Sn3,8Ag0,7Cu. При добавлении от 0,03% до 0,05% время смачивания составляет около 0,7 с при 250 ° C, что очень близко к припою Sn-Pb. Более того, в атмосфере N ₂ характеристики смачивания припоя SnAgCu значительно улучшаются. Из-за окисления расплавленного припоя и подложки ингибируется атмосфера N ₂ . Кроме того, Zhao et al. [42] также обнаружили, что площадь распространения увеличивалась с увеличением содержания Ce.Когда добавка Ce составляет 0,1%, Sn3.0Ag2.8Cu-Ce имеет максимальную площадь растекания 242,80 мм ² . Однако, если содержание Ce превышает 0,1%, площадь укрытия будет уменьшаться.

Одним словом, добавление редкоземельных элементов может изменить характеристики смачивания; есть две причины, приводящие к этому результату: с одной стороны, редкоземельный элемент является поверхностно-активным элементом, который может снизить поверхностное натяжение жидкого припоя. В другом аспекте редкоземельный элемент подвержен окислению; таким образом, образование чрезмерного количества оксидного остатка во время пайки может ухудшить смачиваемость припоя, тем самым влияя на растекающиеся свойства [43].

В настоящее время, с развитием нанотехнологий на протяжении многих лет, все больше и больше исследователей пытаются добавлять наночастицы для улучшения комплексных характеристик бессвинцовых припоев Sn-Ag-Cu.

Добавление наночастиц Mn в припой SnAgCu ухудшает характеристики смачивания. При добавлении 0,47 мас.% Наночастиц Mn угол смачивания припоя SnAgCu был увеличен с 10,71 ° до 25,6 °, а скорость растекания припоя также снизилась с 88,9% до 77,4%. Это вызвано повышенной вязкостью для добавления наночастиц во время пайки [18].Tay et al. [44] обнаружили, что добавление наночастиц Ni изменяет смачиваемость припоя Sn3.8Ag0.7Cu. Результаты показали, что добавление наночастиц Ni в припой SnAgCu приводит к увеличению угла смачивания с 19,3 ° до 29,9 °. Для припоя Sn3.8Ag0.7Cu, содержащего наночастицы Co, влияние наночастиц Co на смачиваемость было обнаружено Yoon et al. [45]. С увеличением концентрации добавленных наночастиц Co угол смачивания увеличивался, а скорость растекания уменьшалась. О подобных эффектах сообщили Haseeb et al.[46, 47]. Наночастицы Al ₂ O ₃ могут значительно изменить характеристики смачивания припоя Sn3,5Ag0,5Cu. Угол смачивания припоя SnAgCu был уменьшен за счет добавления наночастиц Al ₂ O ₃ ; минимальный угол 28,9 ° может быть найден при добавлении 0,5% частиц нано-Al ₂ O ₃ [20]. Ли и др. [48] ​​производили припои Sn3.0Ag0.5Cu путем механического перемешивания наночастиц TiO ₂ и указали, что следовые количества наночастиц TiO ₂ могут эффективно влиять на смачиваемость Sn3.Припой 0Ag0,5Cu. Понятно, что время смачивания может быть уменьшено на 53,7%, а сила смачивания может быть увеличена на 37,6% при добавлении 0,25% частиц TiO ₂ . Лю и др. [49] исследовали добавление графеновых нанолистов (ГНС) в припои Sn3.0Ag0.5Cu с помощью порошковой металлургии. Результаты показывают, что для припоя SAC- x GNS с увеличением содержания добавок GNS угол смачивания уменьшался. При содержании ГНС 0,1% краевой угол смачивания можно уменьшить на 15.5%. Nai et al. [50] исследовали влияние инородных и негрубых посторонних добавок на смачиваемость припоя SnAgCu. Обнаружено, что углы смачивания уменьшились на 15,7% и 19,8% при добавлении 0,04% и 0,07% углеродных нанотрубок (УНТ). Han et al. [51] также обнаружили, что добавление следовых количеств углеродных нанотрубок с никелевым покрытием (Ni-CNT) значительно улучшило смачиваемость припоя SnAgCu.

В заключение, добавление наночастиц не оказало значительного влияния на смачиваемость припоев SnAgCu и может даже ухудшить углы смачивания.Однако, согласно Kripesh et al. [52], качество смачивания считается «очень хорошим», когда значение составляет 0 ° <<20 °. Значение 20 ° <<40 ° считается «хорошим и приемлемым». Смачиваемость считается «плохой» при температуре> 40 °. Следовательно, с добавлением наночастиц угол смачивания композитного припоя SnAgCu находится в приемлемом диапазоне. Более того, разные исследователи получили разный результат. Это может быть связано с составом припоя, температурой пайки, рабочей средой, типом флюса, металлургией подложки и т. Д.

4. Механические свойства

Механические свойства — важный показатель для оценки свойств припоя. Он играет жизненно важную роль в надежности паяных соединений.

Влияние элемента In на предел прочности при растяжении припоя Sn0,3Ag0,7Cu с низким содержанием серебра было изучено Kanlayasiri et al. [6]. При добавлении 3,0 мас.% In прочность на разрыв SnAgCu увеличивается примерно на 79%. Добавление Ti может значительно улучшить механические свойства припоя SnAgCu. Однако с добавлением Ti более 1.0 мас.%, Механические свойства Sn3.5Ag0.5Cu снизились из-за появления в эвтектических колониях крупного Ti ₂ Sn ₃ [7]. Элемент Fe может увеличить прочность припоя SnAgCu на сдвиг. Fallahi et al. [9] обнаружили, что прочность на сдвиг припоя Sn3.6Ag0.9Cu составляет 29 МПа; при добавлении 0,2 мас.% и 0,6 мас.% Fe прочность на сдвиг была увеличена до 40 МПа и 53 МПа. При добавлении 0,8 мас.% Zn к припою Sn3,8Ag0,7Cu растягивающая сила паяного соединения SnAgCu может быть улучшена на 10%.При дальнейшем увеличении содержания Zn растягивающее усилие заметно уменьшается. Это связано с тем, что Zn имеет более сильное сродство к кислороду, а добавление избыточного количества Zn приведет к образованию избыточных оксидов Zn. Поэтому механические свойства паяных соединений SnAgCu- x Zn были снижены [27]. Подобный упрочняющий эффект Zn на предел прочности SnAgCu был также обнаружен Song et al. [53]. Элемент Bi также может улучшить механические свойства припоя SnAgCu. Когда добавление Bi было 2.0 мас.%, Было достигнуто улучшение предела прочности на разрыв (UTS) на 47%. Когда добавка Bi составляла 4,0 мас.%, UTS была почти в 2 раза выше, чем у припоя SnAgCu [12]. Ni может улучшать механические свойства припоя Sn2.0Ag0.5Cu, что было исследовано Эль-Дали и Эль-Тахером [54]. Установлено, что предел прочности при растяжении (UTS) и предел текучести (YS) увеличиваются с увеличением количества Ni. Прочность на разрыв паяного соединения SnAgCu с подшипником Sb была исследована Ли и др. [55], как показано в таблице 1.Результаты показали, что добавление Sb, очевидно, может улучшить прочность на разрыв припоев и соединений SnAgCu во время старения. Причина может быть связана с упрочнением твердого раствора и твердыми частицами. Луо и др. [30] сообщили, что прочность на сдвиг паяного соединения Sn0,5Ag0,7Cu может быть улучшена путем добавления Ga. Когда добавка Ga составляла до 0,5 мас.%, Прочность на сдвиг увеличивалась на 17,9%.

200 9011 9018 9018 9018 9011 9011 9011 9011 9011 9011 9011 Время старения (ч) SAC SAC-0.8Sb SAC-2.0Sb UTS (МПа) UTS (МПа) UTS (МПа) 0 46.6903 46,6903 46,6903 39,73 47,62 45,97 400 34,82 43,71 39,80 33,0912 9011 906 Добавление соответствующего количества редкоземельных элементов, в основном содержащих элементы Ce и La, может значительно улучшить механические свойства припоя SnAgCu [34], как показано на рисунке 4.Кроме того, с повышением содержания Ag повышается также прочность на разрыв. Прочность паяного соединения Sn3.8Ag0.7Cu была улучшена за счет добавления Y. Однако, когда содержание Y превышает 0,15 мас.%, Прочность соединения резко падает [36]. С добавлением Er прочность на сдвиг припоя Sn3.8Ag0.7Cu была значительно улучшена. Когда добавка Er составляет до 0,1 мас.%, Это дает увеличение на 18% по сравнению с припоем SnAgCu [37]. Механические свойства паяного подшипника Pr из Sn3.8Ag0.7Cu были исследованы Гао и др.[38]. Как сила тяги, так и сила сдвига постепенно увеличивались с увеличением содержания Pr. Когда добавка Pr составляет до 0,05 мас.%, Эти образцы показали на 18,5% и 19,4% больше тягового усилия и усилия сдвига, соответственно. Однако, когда содержание Pr превышало 0,25 мас.%, Результаты показали резкое снижение прочности припоя SnAgCu. Эффект простого усиления был обнаружен в SnAgCu, несущем Nd; тяговое усилие и усилие сдвига паяного соединения дают увеличение на 19,4% и 23,6% [39]. Похожие записи 21.11.2024 0 Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании 19.11.2024 0 Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка 19.11.2024 0 Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт