Стойкость бессвинцовых сплавов к ударным (динамическим) нагрузкам. Эффект микродобавок. Выводы и заключение

Исследование

Эффект от добавления висмута

Результат добавления в бессвинцовые сплавы висмута рассматривается во многих исследованиях. Наличие висмута может как снизить температуру солидуса, улучшить прочность паяных соединений посредством дисперсионного уплотнения, так и замедлить образование больших интерметаллических соединений Ag3Sn в основном припое [11]. Результаты испытаний также показывают распределение висмута к границе между медным покрытием и интерметаллическими соединениями [12]. Несмотря на замедление роста интерметаллических соединений возможно образование хрупких изломов.

Результаты этой работы показывают существенное влияние висмута. Так, в частности, добавление до 2% висмута в SAC-сплавы улучшает смачивание и растекаемость сплава. Растекаемость сплава улучшается при последующем добавлении 0,005 – 0,05% висмута. Хорошие свойства растекаемости можно объяснить поверхностной сегрегацией микросплавных добавок. Так как висмут не образует интерметаллического соединения с медью, то высокая концентрация висмута на границе между припоем и медной подложкой способствует лучшей растекаемости сплава. То же самое можно сказать и про другие переходные металлы, которые неохотно образуют интерметаллические фазы при взаимодействии с медью при нормальных температурах пайки.

Роль висмута в отказах при высокоскоростных испытаниях деформации зависит от сплава. Добавление висмута в сплавы с высоким содержанием серебра, например, в сплав SAC305, снижает прочность при воздействии ударных нагрузок, см. рис. 8. С уменьшением содержания серебра вероятность проявления негативного эффекта снижается. Добавление висмута в сплав SACX (0,3% серебра) увеличивает стойкость соединений к растяжению и воздействию ударной нагрузки, что показано на рисунках 8 – 11.

По результатам испытаний Д. Шан [13] указывает на то что, добавление висмута замедляет рост интерметаллического соединения и может служить границей между медью и интерметаллическим соединением. Так как сплав с высоким содержанием серебра переносит напряжение к границе интерметаллического соединения, то качество паяного соединения при добавлении висмута значительно не улучшается.

И, наоборот, благодаря более низкому модулю у SAC-сплавов с низким содержанием серебра поддерживается необходимый уровень интерметаллических соединений при добавлении висмута без риска образования хрупких изломов. SAC105 (1% серебра) является промежуточным звеном между отрицательным и положительным влиянием висмута на высокоскоростное испытание на растяжение.

Эффект от добавления никеля и хрома

Эффект от добавления небольшого количества никеля в SAC-сплавы описывается несколькими авторами, например, Пером-Эриком Тэгехоллом [14]. Одновременно с увеличением хрупкости у Cu6Sn5 наличие никеля также замедляет рост интерметаллических соединений при термической обработке (150°С) , как показано на рисунке 2.

В нашем испытании никель оказывает сильное влияние на рост интерметаллического соединения, и при добавлении 0,05% уменьшается на треть число отказов у сплава SAC105 при растяжении шариковых выводов в вышеприведённом режиме 4. Для сплава SACX этот показатель снижается вдвое. Более высокие уровни содержания никеля менее эффективны при испытаниях на растяжение несмотря на более высокую скорость роста интерметаллических соединений при пайке [15].

Наряду с увеличением скорости деформирования никель обладает двумя другими преимуществами. При оптимальном уровне добавления (~0,05%) SAC-сплавы с никелем отличаются улучшенной растекаемостью припоя, как показано на рисунке 13. Кроме этого, никель также обеспечивает значительное улучшение стойкости к потускнению, что необходимо учитывать при монтаже корпусов типа BGA и CSP.

Хром не растворяется при контакте с оловом, поэтому довольно сложно добиться оптимального результата при добавлении хрома в сплавы SAC. В данном исследовании нашей целью был поиск возможности снижения значения модуля или абсолютной величины деформации припоя наряду с увеличением стойкости к потускнению. При малой скорости деформирования шарикового вывода при использовании SAC-сплава с добавлением 0,03% хрома заметно снижение предела прочности на разрыв по сравнению со сплавом без микродобавок. Мы можем рассматривать это как эффект сплавления хрома. Хром сплавляется через компонент меди в припое, ограничивая при этом образование интерметаллического соединения Cu6Sn5 в припое. Кроме этого, при высокоскоростном испытании на деформирование число отказов у сплава SAC105 с содержанием 0,03% хрома снижается примерно на 40%, как показано на рисунке 18.

Однако, самым значительным открытием является обнаружение того, что хром при взаимодействии с никелем способствуют уменьшению образования дефектов (режим 4) более чем на 80%. Результаты испытаний на удар воспроизведены на рисунке 17.

Эффект от добавления германия в SAC-сплавы

Влияние содержания германия в сплавах изучено на предмет улучшенных коррозионных характеристик в сочетании с улучшениями механических свойств. Результаты высокоскоростного испытания на растяжение при добавлении только 0,05% германия менее успешны чем ожидалось. Так, например, число отказов при использовании германия в сплаве SACX возросло на одну треть.

Эффект от добавления индия в SAC-сплавы

В качестве добавки к SAC-сплавам индий снижает вероятность образования пор Киркендалла, но слабо влияет на рост интерметаллического соединения Cu3Sn [16]. Роль индия как «компенсатора» диффузии подкреплена созданием компанией Cookson оловянно-цинковых бессвинцовых сплавов. В то же самое время М. Амагаи [16] и другие специалисты полагают, что наличие индия в SAC-сплавах эффективно влияет на снижение дефектов растяжения шариковых выводов. Что же касается сплавов SACX, то качество паяных соединений можно улучшить только при добавлении индия к никелю или к составному сплаву никель+хром. Следует отметить также, что в настоящее время для поддержки представленных в данном исследовании феноменологических данных специалистами проводится подробный анализ причин возникновения отказов, изучается кинетика роста интерметаллического соединения для сплавов с микродобавками индия, а также определяется эволюция сплавов и их промежуточных микроструктур.

Заключение

Высокоскоростное испытание семейства бессвинцовых сплавов SAC c микросплавными добавками на деформирование проведено для определения пригодности сплавов к сборке корпусов типа BGA и CSP. Результаты проведенных высокоскоростных испытаний на растяжение шариковых выводов не только соответствуют стандартным результатам испытаний на ударную прочность промышленных стандартов, но и также демонстрируют значительное улучшение прочности соединений по сравнению с немодифицированными SAC-сплавами.

По результатам испытаний сделаны следующие заключения:

1. SAC-сплавы с низким содержанием серебра более устойчивы к деформированию при ударных нагрузках.
2. Ряд микросплавных добавок улучшает ударную прочность соединений, в особенности сочетание никель+хром обеспечивает соединению хорошую ударопрочность и устойчивость к потускнению.
3. Добавление висмута и никеля улучшает на 20% растекаемость припоя на органическом защитном покрытии из меди. Улучшение поддерживается и для комбинации висмут+никель+хром.
4. Наилучшая комбинация свойств наблюдается при использовании модифицированных сплавов SAC105 и SACX с добавлением 0,05% никеля и 0,03% хрома.
5. При использовании в сплавах с низким содержанием серебра (Ag <1%) висмут улучшает стойкость к ударным нагрузкам и характеристики деформации. При высоком содержании серебра в SAC-сплавах добавление висмута отрицательно влияет на деформацию.
6. Незначительные добавки индия снижают на 30% число отказов в ходе высокоскоростных испытаний на растяжение у всех SAC-сплавов. Добавление индия в SAC-сплавы не влияет на растекаемость и смачивание сплавов.

Список использованных источников:

1. Yoshiharu Kariya et al. J. of Elect. Mat, 33, No.4, 2004
2. C.E. Ho, Y. W. Lin, S. C. Yang and C. R. Kao, Volume Effect on the Soldering Reaction between SnAgCu and Ni, Proc. IEEE/CPMT 10th Int. Symp. On Advanced Packaging Materials, 2005
3. T. Gregorich, P. Holmes, J. C. B. Lee and C. C. Lee, SnNi and SnNiCu Solders, Proc. IPC/Soldertec Global 2nd Int. Conf. On Lead Free Electronics, 2004
4. Patents Applied, Aug. 2005
5. I. E. Anderson and J. L. Harringa, Ames Lab Iowa, J. elect. Mat. 32, p.1485, 2004
6. F. Gao, T. Takemoto and H. Nishikawa, Effects of Co and Ni addition on reactive diffusion between SnAg solder and Cu during soldering and annealing, Mat. Sci. Eng., A420, 30-46, 2006
7. Patent Applied, Feb. 2007
8. JEDEC Solid State Technology Association, JESD22B111: “Board Level Drop Test Method of Component for Handheld Electronics Products”, 2003
9. K. Newman, “BGA Brittle Fracture – Alternative Solder Joint Integrity Test Methods,” Proc. 55Th Electronic Components and Technology Conf., Orlando, FL, May-June 2005, pp. 1194-1201
10. R. Pandher and M. Boureghda, “Identification of Brittle Solder Joints using High Strain Rate Testing of BGA Solder Joints” to be Presented at International Reliability Symposium, Phoenix, April 15-19, 2007
11. M. L. Huang and L. Wang, Effects of Cu, Bi and In on Microstructure and Tensile Properties of SnAg-X (Cu, Bi, In) Solders, Met. And Mat. Trans., 36A, 6, p1439, 2005
12. P. L. Liu and J. K. Shang, Interfacial Segregation of Bismuth in Cu/Sn-Bi Solder Interconnect, Scripta Met. 44, p1019, 2001
13. J. K. Shang, P. L. Liu and C. Z. Liu, Bismuth Segregation at SnCu Reactive Interfaces, Proc. Mat. Sci. and Tech. Conf., New Orleans, 2004
14. Per-Erik Tegehall, IVF Project Report (ELFNET), March 2006
15. J. Y. Tsai, Y. C. hu, C. M. Tsai and C. R. Kao, A Study of the Reaction between Cu and SnAg doped with small amounts of Ni, J. Elect. Mat.32, No 11, p1203, 2003
16. M. Amagai, Y. Toyoda, t. Ohnishi and S. Akita, High Drop Test Reliability: Lead Free Solders, Proc. 54Th ECTC, p1304, 2004