Parimad tina jootmise sulamid PCB koostamiseks

Elektroonikatööstuses on joodis asendamatu "silla" materjal, mis ühendab trükkplaate (PCB-d) elektrooniliste komponentidega. See mitte ainult ei loo usaldusväärseid elektriühendusi, vaid määrab ka elektroonikatoodete mehaanilise tugevuse,{1}}pikaajalise töökindluse ja kasutusea. Nutitelefonidest kosmoseseadmeteni, meditsiiniseadmetest autoelektroonikani – iga elektroonikatoote süda pulseerib lugematute jooteühendustega.

Euroopa Liidu ohtlike ainete kasutamise piiramise direktiivi rakendamise ja globaalse keskkonnateadlikkuse kasvuga on elektroonikatööstus läbi teinud ajaloolise ülemineku pliisisaldusega joodistelt pliivabadele{0}}jootele. See ümberkujundamine ulatub palju kaugemale pelgalt materjali asendamisest{2}}see kujutab endast jootmisprotsesside, seadmete, temperatuuriprofiilide ja töökindluse kontrollisüsteemide põhjalikku ümberkorraldamist. See artikkel pakub põhjalikku uurimist-kõige kriitilisemaks t-põhises joodisesSulamid, mida kasutatakse trükkplaatide koostamisel, ulatudes metallurgia põhimõtetest kuni inseneripraktikani, materjali omadustest kuni protsesside optimeerimiseni, pakkudes elektroonikatootjatele kõikehõlmavat tehnilist teavet.

Jootesulamite metallurgia põhialused

Jootmise põhimõtted ja sulami disain

Jootmise põhiolemus seisneb madala -sulamistemperatuuriga- täitemetalli (jootmise) kasutamises, mis sulab kuumuse käes, voolab märgumise ja kapillaartegevuse kaudu liidetavate metallide pindadele mikroskoopilistesse piludesse ning moodustab jahutamisel ja tahkumisel spetsiifilise mehaanilise tugevuse ja elektrijuhtivusega metallidevahelised ühendid (IMC).

Tinast (Sn) on saanud elektrooniliste joodiste põhielement tänu oma ainulaadsetele füüsikalis-keemilistele omadustele: mõõdukas sulamistemperatuur (232 kraadi), suurepärane märguvus, hea elektri- ja soojusjuhtivus ning võime moodustada stabiilseid IMC-sid tavaliste PCB-padjametallidega, nagu vask (Cu), nikkel (Ni) ja kuld (Au). Kuid puhtal tinal on olulisi puudusi,{2}}ta on vastuvõtlik tinakahjuritele (faasimuutus madalal temperatuuril, mis põhjustab pulbriks muutumist) ja tina vurrude kasvu. Seetõttu hõlmavad praktilised rakendused alati tina legeerimist teiste metallidega.

Sulami disaini põhieesmärgid otsivad optimaalset tasakaalu mitme mõõtme vahel:

Sulamistemperatuuri kontroll: sulamistemperatuuri alandamine eutektiliste või peaaegu{0}}eutektiliste kompositsioonide kaudu vähendab komponentide ja substraatide termilist šokki

Märguvuse optimeerimine: Sula joodise täieliku leviku ja jooteliidese tungimise tagamine

Mehaaniline omaduste reguleerimine: tagab piisava tõmbetugevuse, nihketugevuse ja roomamiskindluse

Töökindluse tagamine: jooteühenduse terviklikkuse säilitamine keskkonnamõjude, näiteks termilise tsükli, vibratsiooni ja niiskuse korral

Protsessi ühilduvus: Kohanemine erinevate protsessinõuetega, sealhulgas tagasivoolamine, lainetus ja selektiivne jootmine

Eutektilised sulamid ja pastasari

Joodisulamite mõistmise põhikontseptsioon on "eutektika". Eutektilistel sulamitel on teatud koostise suhetes üks sulamistemperatuur (mitte sulamisvahemik), mis läheb otse tahkest olekust vedelaks ja vastupidi. See omadus on jootmisprotsesside jaoks ülioluline-eutektilised sulamid ei muutu tahkumise ajal pastaseks, moodustades seega ühtlasemad ja tihedamad jooteühenduste mikrostruktuurid.

Võttes näiteks klassikalise tina-pliisulami, on Sn63/Pb37 suhe täpselt eutektilises punktis sulamistemperatuuriga täpselt 183 kraadi. Seevastu Sn60/Pb40 kaldub eutektilisest punktist kõrvale, näidates pastakujulist vahemikku ligikaudu 7 kraadi (183 kraadi -190 kraadi). Selles pastakujulises vahemikus eksisteerib joote tahke-vedeliku kooseksisteerimise olekus, kus kõik mehaanilised häired võivad põhjustada "külmühenduse" defekte.

Pliivabade joodiste hulgas on SAC-sulamite eutektiline punkt Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7 (SAC387) lähedal, sulamistemperatuuriga ligikaudu 217 kraadi. Laialdaselt kasutatav SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5) kaldub veidi kõrvale eutektikast, omades pastataolist vahemikku umbes 3 kraadi. Kuid see omadus aitab tegelikult vähendada kiibi komponentide "hauakivide" defekte.

Pliisisaldusega joodisulamid: klassika ja pärand

Tina{0}}pliisulamite süsteem

Hoolimata üha karmistuvatest keskkonnaeeskirjadest on pliijoodised endiselt vabastatud kasutamiseks sõjalistes, kosmose-, meditsiiniseadmetes ja muudes kõrge{0}} töökindlusega rakendustes. Need väljad nõuavad väga ranget jooteühenduste töökindlust ja tina-pliisulamid on enam kui poole sajandi pikkuse insenerikontrolli käigus loonud kõige põhjalikuma töökindluse andmebaasi.

Sn63/Pb37 (eutektiline tina-plii)

See on elektroonikatööstuse ajaloo kõige klassikalisem jootepreparaat. Eutektiline sulamistemperatuur 183 kraadi tagab laia protsessiakna, kusjuures tüüpilised tagasivoolu tipptemperatuurid on vaid 205-215 kraadi -palju alla pliivaba joodiste jaoks nõutava 240{7}}245 kraadi. Madala temperatuuriga jootmine tähendab:

Madalam termiline pinge komponentidele, eriti kasulik soojustundlikele osadele{0}}nt elektrolüütkondensaatorid ja optoelektroonilised seadmed

Vähendatud PCB deformatsioon ja deformatsioon

Pikenenud seadmete eluiga ja väiksem energiatarbimine

Mikrostruktuurilisest vaatenurgast moodustab Sn63 / Pb37 tüüpilise lamellaarse eutektilise struktuuri vahelduvate tina- ja pliifaasidega, tagades suurepärase väsimuskindluse. Plii sisaldus pärsib tõhusalt ka tina vurrude kasvu-üks tõsisemaid töökindlusega seotud väljakutseid, millega plii-vabad joodised silmitsi seisavad.

Sn60/Pb40

Veidi odavam kui Sn63/Pb37, kuid kaldub eutektilisest punktist kõrvale, mille tulemuseks on pastane vahemik. Käsitsi jootmise stsenaariumide korral tagab see omadus tegelikult pikema "tööaja", võimaldades jootjatel liigendeid reguleerida.

Sn62/Pb36/Ag2 (kolmiksulam)

2% hõbeda lisamine toob kaasa olulisi täiustusi: hõbe alandab jootevedeliku temperatuuri ja parandab märguvust. Veelgi olulisem on see, et hõbeda reaktsioon vaskpadja kihiga aeglustab vase lahustumiskiirust jootemaatriksis, pikendades joote kasutusiga pidevates toimingutes, nagu lainejootmine. Hõbeda lisamine suurendab ka jooteühenduste elektrijuhtivust ja korrosioonikindlust.

Kõrge -temperatuuriga pliijoodised

Teatud erirakendused nõuavad jooteühenduste stabiilsust kõrgel{0}}temperatuuri tingimustes. Kuna puhta plii sulamistemperatuur on kuni 327 kraadi, muutuvad kõrge -pliisulamid eelistatud valikuks kõrgel temperatuuril{4}}.

Sn10/Pb88/Ag2

Ligikaudu 299-kraadise sulamistemperatuuriga sobib see sulam äärmuslikult kõrgete temperatuuride{1}}keskkondadesse, nagu lennukimootori juhtimissüsteemid ning puuraukude nafta- ja gaasiseadmed. Selliseid sulameid kasutatakse tavaliselt "esimese-etapiga jootmise" materjalidena, järgnevates protsessides kasutatakse "astmelise jootmise" jaoks madala-sulamistemperatuuriga{5}}joodeid, et tagada kõrgel-temperatuuri ühenduskohtade mitte{7}}sulamine.

Plii-vaba joodisulamid: keskkonnaajastu tööhobused

SAC sulamite perekond

SAC (Sn-Ag-Cu, tina-silver-vase) sulamid on tänapäeva elektroonikatööstuses absoluutne peavool. Alates RoHS-i direktiivi jõustumisest 2006. aastal on SAC-sulamid pidevalt võitnud turuosa olmeelektroonikas, tööstuslikes juhtimisseadmetes, telekommunikatsiooniseadmetes ja muudes valdkondades. Statistika näitab, et SAC-sulamid moodustavad üle 65% juhtivast-vaba jooteturust.

SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)

See on eelistatud plii{0}vaba sulam, mida soovitab IPC Solder Products Value Council ja mida kasutatakse laialdaselt kogu maailmas. Selle edu tuleneb mitme aspekti tasakaalust:

Sulamistemperatuur ja töödeldavus: 217-220 kraadi sulamistemperatuur, mis on küll 34 kraadi kõrgem kui tina-plii eutektika, jääb enamiku elektroonikakomponentide temperatuuritaluvuse piiridesse. Tüüpilised tagasivoolu tipptemperatuurid on seatud 235–245 kraadini, kusjuures aeg üle vedeliku (TAL) on reguleeritud 60–90 sekundile.

Mehaanilised omadused: SAC305 tõmbetugevus on ligikaudu 40-50 MPa, kõrgem kui Sn63/Pb37 25–35 MPa. Selle põhjuseks on peamiselt hõbedast moodustatud Ag3Sn intermetalliliste ühendite dispersiooni tugevdav toime. Suurem tugevus tähendab aga ka väiksemat plastilisust, mis võib kukkumiskatsetes põhjustada tina-pliijoodise madalama jõudluse.

Märgutavus: Võrreldes tina-pliijoodiga on SAC305 märgamisnurk suurem (umbes 30 kraadi vs 15 kraadi) ja aeglasem märgamiskiirus. See nõuab aktiivsemate räbustite kasutamist või jootmistemperatuuri profiilide optimeerimist.

Termilise väsimuse vastupidavus: SAC305 toimib suurepäraselt termilise tsükli testides (-40 kraadi kuni +125 kraadi), jooteühenduse eluiga on võrreldav tina-pliijoodise omaga või isegi pikem. Selle põhjuseks on asjaolu, et Ag3Sn-faas tihvtid tera piiri libisevad, mis aeglustab väsimuspragude levikut.

Kulutegurid: hõbeda hinna kõikumised mõjutavad oluliselt SAC305 kulusid. Kui hõbeda hind ületas 2011. aastal 40 dollarit untsi kohta, otsis tööstus aktiivselt odavat hõbedat{4}.

SAC387 (Sn95.5/Ag3.8/Cu0.7)

Lähemal tõelisele kolmekomponendilisele eutektilisele punktile, millel on teravam sulamiskäitumine. Kõrgem hõbedasisaldus tagab veidi parema termilise väsimuskindluse kui SAC305, mistõttu on see sobivam suurte temperatuurikõikumiste korral, näiteks autode mootoriruumid ja tööstuslikud juhtkapid. Varased juhtivad-pioneerid, nagu Motorola, hakkasid SAC387-ga mobiiltelefone tootma juba 2001. aastal.

SAC105 (Sn98.5/Ag1.0/Cu0.5)

Madal -hõbedasulam, mis töötati välja vastuseks hõbeda hinna tõusule ja kaasaskantavate seadmete kukkumiskindluse nõuetele. Uuringud näitavad, et hõbedasisalduse vähendamine vähendab rabeda Ag3Sn faasi mahuosa, parandades jooteühenduste plastilise deformatsiooni võimet ja seega parandades kukkumislöögi jõudlust. iNEMI (International Electronics Manufacturing Initiative) testimine näitab, et SAC105 ületab kukkumistestides SAC305. Kuid madalam hõbedasisaldus ohverdab termilise tsükli töökindluse, nii et SAC105 kasutatakse peamiselt kaasaskantavas olmeelektroonikas, nagu nutitelefonid ja tahvelarvutid.

Legeeritud modifitseeritud SAC-sulamid

Toimivuse edasiseks optimeerimiseks on teadlased välja töötanud erinevaid SAC-sulameid koos mikroelementide lisanditega:

SAC+Mn/Ce: Jälgede lisamine (<0.1%) of manganese or cerium significantly improves both drop impact and thermal cycling performance

SAC+Bi: Vismuti lisamine parandab märguvust, alandab sulamistemperatuuri ja vähendab jootekoha tühjenemist

SAC+Ni: Nikkel kaitseb selle all olevat metalliseeritud kihti liigse lahustumise eest

SAC+Sb: Antimon suurendab mehaanilist tugevust, vähendades samal ajal tina vurrud

Tina-vasesulamid (Sn-Cu)

Sn99,3/Cu0,7

Lihtsaim plii{0}}vaba kahekomponentne sulam, mille sulamistemperatuur on ligikaudu 227 kraadi, mis on umbes 7 kraadi kõrgem kui SAC305. Tina-vasesulamite suurim eelis on kulu-. Kalli hõbeda täielik kõrvaldamine muudab need ökonoomseks valikuks lainejootmiseks ja käsitsi jootmiseks.

Kuid puhastel tina{0}}vasesulamitel on SAC-seeriatega võrreldes halvem märguvus ja mehaanilised omadused. Nende puuduste kõrvaldamiseks on tööstus välja töötanud mitmesuguseid modifitseeritud koostisi:

SN100C (Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge)

Nikli ja germaaniumi jääkide lisamisega läheneb SN100C märguvus SAC305-le ja vase lahustumine on aeglasem, pikendades lainejootmispoti hooldusintervalle. Germaanium vähendab oksüdatsiooni ja räbu teket.

K100 (Sn-Cu-Ni-seeria)

Lainejootmiseks optimeeritud sulam, kus nikli lisamine moodustab (Cu,Ni)6Sn5 intermetallilised ühendikihid, mis on stabiilsemad kui puhas Cu6Sn5, aeglustades liidese IMC liigset kasvu.

Tina-vismuti madala temperatuuriga-sulamid (Sn-Bi)

Madala{0}}temperatuuriga jootmise tehnoloogia on viimastel aastatel pälvinud märkimisväärset tähelepanu, mille põhjuseks on:

Koostenõuded{0}}temperatuuritundlikele komponentidele (nt MEMS ja teatud andurid)

PCB- ja BGA-paketi kõveruse vähendamine

Energiasääst, heitkoguste vähendamine ja süsiniku jalajälje vähendamine

"Teine{0}}etapp" madalal temperatuuril{1}}jootmine astmelises jootmise protsessis

Sn42/Bi58 (eutektiline tina-vismut)

Ainult 138-kraadise sulamistemperatuuriga on see madalaima sulamistemperatuuriga plii{1}}vaba joodis. Tüüpilisi tagasivoolu tipptemperatuure saab reguleerida 170–180 kraadini, mis on umbes 70 kraadi madalam kui SAC305. See tähendab:

Oluliselt vähenenud kuumustundlike komponentide{0}}kahjustuse oht

Oluliselt vähenenud termiline deformatsioon PCB-des ja BGA-des

Väiksem tagasivooluahju energiatarve ja pikem seadme eluiga

Vismutile omane rabedus on aga Sn{0}}Bi sulamite Achilleuse kand. Puhta Sn42/Bi58 pikenemine on vaid 1-2%, mis on palju väiksem kui SAC305 20–40%. See põhjustab jooteühenduste kergesti purunemise kukkumise või paindepinge korral. Lisaks põhjustab kõrgel temperatuuril vananemine vismuti segregatsiooni liidestes, halvendades veelgi mehaanilisi omadusi.

Sn42/Bi57/Ag1

1% hõbeda lisamine parandab märguvust ja väsimuskindlust, säilitades samal ajal madala sulamistemperatuuri eelised. Hõbedast moodustatud Ag3Sn faas täiustab teatud määral mikrostruktuuri, parandades elastsust.

Mitte-eutektilised Sn-Bi sulamid

Uuringud näitavad, et sulamitel, mis erinevad eutektilisest koostisest (nt Sn{0}}Bi, milles Bi sisaldus on 40% või vähem), on paremad mehaanilised omadused. Madalam vismutisisaldus vähendab rabedate faaside mahuosa, säilitades samal ajal suhteliselt madalad sulamistemperatuurid.

Tugevdatud Sn{0}}Bi komposiitjoodised

Hapruse probleemide lahendamiseks on tööstus uurinud erinevaid tugevdamisviise:

Epoksiid{0}}tugevdatud joodis: epoksükomponentide lisamine jootepastale moodustab kaitsekihi, mis kapseldab jootekohad pärast tagasivoolamist

Nanoosakeste tugevdamine: Nanoosakeste nagu NiO ja TiO2 lisamine tera struktuuri täpsustamiseks

Hübriidjootmistehnoloogia: madalal{0}}temperatuurilise Sn-bi jootepasta kasutamine koos SAC305 jootekuulikestega hübriidliidete teostamiseks madalatel temperatuuridel

Muud erisulamid

Sn-Ag (binaarne tina-hõbe)

Sn96.5/Ag3.5 oli varajase plii-vaba joodise uurimise fookuses, sulamistemperatuuriga 221 kraadi SAC-seeria lähedal. Puhtal tina-hõbedasulamitel on parem märguvus kui SAC-l, kuid nende maksumus on kõrgem ja neil puudub vase pakutav liidese IMC kasvu pärssimine.

Sn-Zn (tina-tsink)

Eutektilise sulami Sn91/Zn9 sulamistemperatuur on tina-plii ja SAC vahel vaid 199 kraadi ning seda peeti kunagi paljulubavaks plii-vabaks kandidaadiks. Tsingi kõrge reaktsioonivõime põhjustab aga tõsiseid oksüdatsiooniprobleeme, mis nõuavad jootmise ajal inertse atmosfääri kaitset. Tsingi söövitav toime vaskpatjadele on samuti rakenduse takistuseks.

Sn-In (tina-indium)

Indium võib märkimisväärselt alandada sulamistemperatuure (Sn-52In eutektiline temperatuur on ainult 118 kraadi) ja see ühildub hästi kullaga, mistõttu sobib see kuldtraadi ühendamiseks ja madala temperatuuriga stantside kinnitamiseks. Kuid indiumi nappus, kõrge hind ja vastuvõtlikkus korrosioonile piiravad selle kasutusala.

Flux: jootmise edu nähtamatu valvur

Flux toimemehhanism

Ükskõik kui suurepärane jootesulam ise ka poleks, ei saa jootmisprotsess kulgeda ilma sobiva räbustita. Fluxi põhifunktsioonid hõlmavad järgmist:

Oksiidide eemaldamine: Metallpinnad moodustavad õhus oksiidkilesid, mis takistavad jooteaine märgumist. Voolus olevad aktiivsed komponendid (nagu orgaanilised happed ja halogeniidid) reageerivad kuumutamisel oksiididega, lahustades või muutes need lenduvateks ühenditeks.

Re{0}}oksüdatsiooni vältimine: Jootetemperatuuril katab räbusti metallpinnad, moodustades kaitsekihi, mis isoleerib õhuhapnikku.

Pindpinevuse vähendamine: Voolus olevad pindaktiivsed ained vähendavad sulajoodise pindpinevust, soodustades ühtlast levimist patjadel.

Soojusülekande keskkond: Vedelvoog aitab soojust ühtlaselt üle kanda jootmisliidesele.

Flux Classification System

Vastavalt IPC J{0}}STD-004 standardile klassifitseeritakse voogu alusmaterjali ja aktiivsustaseme järgi:

Kampoli-põhine räbust

Kampol on männipuu vaigust ekstraheeritud looduslik toode, mis koosneb peamiselt abieethappest. Kampolil- põhineval räbustil on pikk ajalugu ja stabiilne jõudlus, mis esindab traditsioonilist valikut elektrooniliseks jootmiseks.

R (kampol): Madalaima aktiivsusega puhas kampol, sobib ainult puhastatud minimaalse oksüdatsiooniga pindadele

RMA (kergelt aktiveeritud kampol): Sisaldab väikeses koguses mõõduka aktiivsusega ja kergete jääkainetega aktivaatoreid

RA (aktiveeritud kampoliga): Suurem aktivaatori sisaldus, sobib rohkem oksüdeerunud pindadele, jäägid vajavad puhastamist

Kampoli räbustijäägid on toatemperatuuril tahked, mitte{0}}juhtivad ja keemiliselt inertsed. Traditsiooniliselt peeti R- ja RMA jääke trükkplaatidele jätmiseks vastuvõetavaks, kuid kaasaegsed suure-tihedusega vooluringid nõuavad rangemat puhtust ja paljud rakendused soovitavad siiski puhastamist.

Vees{0}}lahustuv räbustik

Kasutab aktiivsete komponentidena orgaanilisi happeid (nagu sidrunhape ja adipiinhape), mis on tavaliselt koostatud vees{0}}lahustuvate kandjatega, nagu etüleenglükool. Vees -lahustuval räbustil on kõrgeim aktiivsus, mis on võimeline eemaldama tõrksad oksiidikihid, sobides raskesti--jootvate pindade või tugevalt oksüdeerunud vanade osade jaoks.

Kõrge aktiivsus tähendab aga ka suurt korrosiooniriski. Vees -lahustuvad räbustijäägid sisaldavad aktiivseid ioone, mis kui neid põhjalikult ei eemaldata, võivad kõrge õhuniiskusega keskkonnas põhjustada elektrokeemilist migratsiooni, leket või isegi lühiseid. Seetõttu peavad ranged veepuhastusprotsessid järgima vees-lahustuva räbusti kasutamist.

Ei-puhast voolu

Välja töötatud protsessi voogu lihtsustamiseks ja kulude vähendamiseks. Selle disainifilosoofia on järgmine: aktiivsed komponendid lõpetavad oma deoksüdatsiooni ülesande jootmistemperatuuril, seejärel jäävad jäägid mitte-juhtivasse, mitte-söövitavasse olekusse, mille võib ohutult trükkplaatidele jätta.

No-puhta räbusti puhul kasutatakse tavaliselt madala kuivainesisaldusega preparaate (1-5%), kusjuures enamik toimeaineid lenduvad või lagunevad tagasivoolu käigus. Jääkide kogused on minimaalsed ja keemiliselt stabiilsed. See muudab selle eelistatud valikuks kiirete -SMT tootmisliinide jaoks – puhastusprotsesside kõrvaldamine tähendab lühemat tsükliaega, väiksemaid investeeringuid seadmetesse ja väiksemat kemikaalikulu.

Kuid "ei ole{0}}puhas" ei tähenda "jääkideta". Kõrge-usaldusväärsete rakenduste (lennundus, meditsiinilised implantaadid) või kõrgsageduslike-vooluahelate korral võivad isegi jäägid mõjutada jõudlust. Seetõttu valivad need rakendused tavaliselt ikkagi puhastusprotsessid.

Fluxi valikustrateegia

Voolu valik nõuab järgmiste tegurite põhjalikku kaalumist:

Jooteobjektide pinna seisukord: äsja valmistatud tina{0}}kaetud komponentidel on minimaalne oksüdatsioon ja need võivad kasutada madalat-aktiivsust; pika säilitusajaga või halva pinnatöötlusega komponendid nõuavad suurt -aktiivsusvoogu.

Jootesulami tüüp: Plii-vaba joodiste märguvus on üldiselt halvem kui tina-pliijoodiste puhul, mis nõuavad tavaliselt aktiivsemat räbusti.

Puhastusvõime: kui tootmisliinil on täielikud puhastusseadmed (ultraheli, pihustussüsteemid), saab parimate jootmistulemuste saamiseks valida vees{0}}lahustuva räbusti; vastasel juhul ei tohiks valida-puhast ega kampolipõhist-.

Toote usaldusväärsuse tase: IPC-klassi 3 (kõrge-usaldusväärsusega) tooted nõuavad tavaliselt puhastusjääke või rangelt sertifitseeritud mittepuhta räbusti kasutamist.

Keskkonnamäärused: Mõnedes piirkondades on lenduvate orgaaniliste ühendite (LOÜ) heitkoguste suhtes ranged piirangud, mis nõuavad veepõhiseid või madala -lenduvate orgaaniliste ühendite koostist.

Tin Whiskers: usaldusväärsuse õudusunenägu juhtivast-vaba ajastust

Tina vurrude fenomen ja ohud

Tinavurrud on niitjad üksikkristallstruktuurid, mis kasvavad spontaanselt puhtast tinast või kõrgest tinasulamist pindadest, mille läbimõõt on tavaliselt 1–5 mikromeetrit ja pikkus sadadest mikromeetritest mitme millimeetrini. Need peaaegu nähtamatud metallist "karvad" kujutavad endast tõsist ohtu elektroonikaseadmete töökindlusele.

Mehhanismid, mille abil tinavurrud põhjustavad rikkeid, on järgmised:

Lühised: naaberjuhte ühendavad tinavurrud põhjustavad elektrilisi lühiseid. Suure-tihedusega pakendites (0,5 mm ja alla selle) võivad vaid kümnete mikromeetrite pikkused vurrud põhjustada katastroofi.

Kaarlahendus: Kõrge{0}}pingekeskkonnas võivad tinavurrud vallandada kaare, põhjustades silmapilkse kõrgel-temperatuuril sulamist, mis on eriti ohtlik vaakumis või madala rõhuga keskkonnas (nagu satelliidid ja{3}}kõrgkõrguse seadmed).

Prügi saastumine: Tinast vurrud võivad puruneda, moodustades seadmete sees juhtivat prahti, mis põhjustab juhuslikult vahelduvaid tõrkeid.

Ajalooliselt on tinavurrud põhjustanud mitmeid kuulsaid katastroofijuhtumeid:

Galaxy IV Satellite (1998): Kogu satelliit ebaõnnestus juhtarvuti tinavurride lühiste tõttu, põhjustades sadu miljoneid dollareid kahju

Millstone'i tuumaelektrijaam (2005): Tinast vurrud põhjustasid aururõhu jälgimissüsteemi valehäire, mis käivitas hädaseiskamise

Toyota "fantoomikiirenduse" juhtum (juurdluses mainitud): Mõned teadlased leidsid gaasipedaali asendianduritest tinast vurrud, kuigi ametlik uurimine välistas selle põhjuse lõpuks

Tina viski moodustumise mehhanism

Kuigi tinavurru fenomen avastati juba 1940. aastatel, pole selle täpne tekkemehhanism täielikult mõistetav. Praegu tunnustatud peamised tõuketegurid onsurvepinged:

Intermetalliliste ühendite kasvu stress: Kui tinatamine puutub kokku vasksubstraadiga, difundeeruvad vaseaatomid tinakihti, tekitades liidesel metallidevahelisi Cu6Sn5 ühendeid. IMC mahu laienemine tekitab tinakihis survepinge.

Soojuspaisumise koefitsiendi mittevastavus: erinevused soojuspaisumisteguris (CTE) tina ja substraatide, nagu vask ja nikkel, vahel põhjustavad liidese pinge kuhjumist koos temperatuurikõikumistega.

Mehaaniline stress: komponentide plii painutamine, press{0}}liitmine, vibratsioon ja muud mehaanilised toimingud loovad lokaalse pingekontsentratsiooni.

Korrosioonist{0}}indutseeritud stress: Ioonne saaste (nagu kloriidi- ja sulfiidioonid) käivitab lokaalse korrosiooni, kusjuures oksiidiproduktide mahu muutused põhjustavad stressi.

Tina vurrude kasvu olemus on protsess, mille käigus tinakristallid vabastavad sisemise pinge tera piiride difusiooni ja dislokatsiooni liikumise kaudu. Kui pinge ületab kriitilise väärtuse, migreeruvad tinaaatomid mööda kindlaid kristallograafilisi suundi ja "ekstrudeerivad", moodustades pinnale vurrud.

Eelkõige on põhjus, miks plii lisamine pärsib tina vurrude kasvu, peamiselt: pliiaatomid eralduvad tina tera piiridesse, takistades terade piiride difusiooni; samaaegselt muudab pliifaasi olemasolu tina terastruktuuri, soodustades ühtlast stressi leevendamist.

Tin whiskeri leevendamise strateegiad

Kuna tina vurrude riski ei saa täielikult kõrvaldada, rakendab tööstusharu mitmetasandilisi leevendusstrateegiaid:

Materjali tase

Nikli tõkkekiht: nikeldatud kihi (1–2 mikromeetrit) lisamine vasest substraadi ja tinakatte vahele blokeerib vase difusiooni tinasse, kõrvaldades IMC kasvustressi allikad

Tina-pliikümblus/kuumkastmine: puhaste tinaga kaetud komponentide kastmine tina-pliijoodise sisse toob kaasa plii, mis summutab vurrud

Bright Tin asemel matt tina: suure-teralise matttinaga katmisel on madalam stressitase kui väikese-teralise heleda tina

Vismuti ja muude legeerivate elementide lisamine: Vismuti jälg võib muuta tina terastruktuuri, pakkudes pliile sarnaseid summutusefekte

Protsessi tase

Lõõmutusravi: Töötlemine 150 kraadi juures 1 tund või kõrgemal temperatuuril soodustab stressi leevendamist

Sulamisravi: Heating pure tin plating above melting (>232 kraadi), siis jahutamine kõrvaldab plaadistuse pinge

Joote katvus: jootmise teel kaetakse puhtast tinast juhtmed täielikult tina-plii või SAC-joodisega

Disaini tase

Konformaalne kate: 2–3 miili paksuse polüuretaan-, akrüül- või silikoonkatte pealekandmine pärast PCB kokkupanekut blokeerib füüsiliselt tina vurrude kasvu või takistab läbitungimist, mis põhjustab lühikesi pükse

Suurenenud juhtide vahe: võimaldab vooluringi disainis tinavurrude kasvu ohutusvarusid

Ilma puhta tinakatteta komponentide valimine: alternatiivsete pinnatöötluste, nagu NiPdAu, tina-plii või SAC-pallide määramine

Tuvastamine ja jälgimine

Tinavurrude kiirendatud kasvutestide läbiviimine (temperatuuri-niiskustsüklid, kõrge-temperatuuri kõrge-niiskusega säilitamine) vastavalt JEDEC JESD201 standardile

Kriitiliste piirkondade regulaarne kontroll SEM-i (skaneeriva elektronmikroskoobi) abil

Tarnija tinavurrude riskihindamise süsteemide loomine

Jootmisprotsessid ja temperatuuriprofiili optimeerimine

Reflow jootmine

Reflow jootmine on pindpaigaldustehnoloogia (SMT) põhiprotsess, mille põhivool on:

Jootepasta trükitakse trafareti kaudu PCB-plaatidele

Valige-ja asetage{1}}masinate komponendid jootepastale

PCB läbib tagasivooluahju, kus jootepasta sulab, moodustades jooteühendused

Temperatuuriprofiili neli etappi

Eelsoojendustsoon: PCB kuumutamine toatemperatuurilt 150-200 kraadini kiirusega 1-3 kraadi sekundis, lendudes jootepastas olevad lahustid, vältides samal ajal termilist šokki

Leotamise tsoon: temperatuuri hoidmine vahemikus 150-200 kraadi 60-120 sekundit, tagades ühtlase plaadi temperatuuri ja aktiveerides voolu oksiidi eemaldamise alustamiseks

Reflow tsoon: Kiiresti kuumutamine tipptemperatuurini (ligikaudu 235{3}}245 kraadi SAC305 puhul, 205–215 kraadi tina-plii puhul), kus joodis sulab, moodustades liitekohti. Aeg Above Liquidus (TAL) on reguleeritud 60-90 sekundini

Jahutustsoon: Toatemperatuurini jahutamine kiirusega 2-4 kraadi sekundis. Sobivad jahutuskiirused aitavad moodustada peeneid ühtseid teralisi struktuure

Erikaalutlused plii{0}}vaba jootmise puhul

Pliivaba{0}}joodise kõrgem sulamistemperatuur seab tagasivooluprotsessidele väljakutseid.

Tipptemperatuur tõuseb ligikaudu 30 kraadi võrra, ületades potentsiaalselt mõne soojustundliku komponendi (elektrolüütkondensaatorid, plastpistikud) temperatuuripiirangud.

Kõrgemad temperatuurid süvendavad PCB ja BGA kõverdumist, suurendades jootekoha pinget

Vaja on täpsemat temperatuuri reguleerimist, et kõik jootekohad saavutaksid vedeliku temperatuuri

Lämmastikku kaitsev atmosfäär võib parandada märguvust ja vähendada oksüdatsiooni

Lainejootmine

Lainejootmist kasutatakse peamiselt läbi{0}}avade komponentide partiijootmiseks ja segakoosteplaatide alumisel-jootmiseks. PCB alumine kontakt puutub kokku pidevalt voogavate sulajoodtelainetega, kusjuures joodis tungib läbi-aukude kapillaaride toime ja niisutavate komponentide juhtmete kaudu.

Lainejootmise juhtimine

Jootepoti koostise juhtimine lainejootmisel on ülioluline. Jootmise edenedes kogunevad järk-järgult järgmised saasteained:

Vase lahustumine: PCB copper layers and component leads release copper into the solder; excessive copper content (>0,3%) vähendab voolavust

Oksüdatsiooniräkk: Jootepinna oksüdatsioon moodustab räbu, mis suurendab materjalikadu

Muud lisandid: Nikkel, kuld ja muud PCB pinnatöötlusest saadud elemendid koonduvad järk-järgult

Regulaarne joote koostise analüüs ja värske joote täiendamine on vajalikud hooldusmeetmed. Tina-vasesulamitel (nagu SN100C) on vase madalama lahustuvuse tõttu lainejootmisel pikem eluiga kui SAC305.

Valikuline jootmine

Selektiivjootmine on protsess lainejootmise ja käsitsi jootmise vahel, kasutades programmeeritavaid jootepäid konkreetsete piirkondade täpseks jootmiseks. See protsess sobib:

Läbi-auku jootmise-kuumustundlike komponentide läheduses

Suure{0}}tihedusega plaatide alad, kus lainejootmist ei saa teostada

Segakoostud, mis nõuavad erinevaid jootesulameid

Selektiivsed jootmissüsteemid sisaldavad tavaliselt kolme moodulit räbusti pihustamiseks, eelsoojendamiseks ja jootmiseks, kusjuures parameetrid on kohandatavad iga jootekoha omaduste jaoks.

Töökindluse testimine ja tööstusstandardid

Jootevuukide töökindluse hindamise meetodid

Termilise jalgrattasõidu testimine

Simuleerib temperatuurikõikumisi, mida elektroonikaseadmed kasutamise ajal kogevad. Tüüpilised tingimused on -40 kraadi kuni +125 kraadi tsüklid, 30-60 minutit tsükli kohta. Soojuspaisumise koefitsiendi mittevastavuse tõttu tekkinud pinge all tekivad jooteühendustele järk-järgult väsimuspraod. Testimine kestab tavaliselt sadu kuni tuhandeid tsükleid, kuni jooteühenduse takistus suureneb oluliselt või avanevad täielikult.

Temperatuuri{0}}Niiskuse testimine

Hindab jooteühenduste korrosioonikindlust ja kalduvust elektrokeemilisele migratsioonile kõrge{0}}temperatuuri ja kõrge{1}niiskusega keskkondades. Tüüpilised tingimused on 85 kraadi / 85% RH üle 1000 tunni. See test paljastab eriti räbustijääkidest tulenevad töökindlusriskid.

Kukkumislöögi testimine

Simuleerib kaasaskantava seadme kukkumise stsenaariume. Kokkupandud PCB-d kinnitatakse standardsetesse kinnitusdetailidesse ja kukutatakse kindlaksmääratud kõrguselt (näiteks 1,5 meetri kõrguselt) jäikadele pindadele, korrates kümneid kuni sadu kordi. Registreeritakse jooteühenduse rikke ja rikkerežiimide kukkumiste arv. SAC-sulamid, eriti kõrge -hõbedasisaldusega koostised, võivad selles testis halvasti toimida.

Painde testimine

Hindab jooteühenduse purunemiskindlust PCB paindedeformatsiooni korral. Nelja-- või kolme-punktiga painutuskinnitused rakendavad jooteühenduse elektrilist järjepidevust jälgides kontrollitud pinget.

Nihketugevuse testimine

Mõõdab jootekuulikeste või liigendite mehaanilist tugevust mikro{0}}nihketesterite abil. See on põhimõõdik jootekvaliteedi hindamiseks ja erinevate sulamite/protsesside võrdlemiseks.

IPC standardite süsteem

Standardid, mille on välja töötanud IPC (Association Connecting Electronics Industries) on ülemaailmse elektroonikatööstuse jaoks autoriteetsed etalonid:

J-STD-001 "Nõuded joodetud elektri- ja elektroonikasõlmedele"

See on jootmisprotsesside ja kvaliteedikontrolli põhistandard, mis hõlmab:

Nõuded materjalile: jootmise, räbusti ja PCB pinnaviimistluse spetsifikatsioonid

Nõuded protsessile: eelsoojenduse, jootmistemperatuuri ja ajaparameetrite juhtimine

Vastuvõtukriteeriumid: jootekoha välimuse, märgumisnurga ja täitekõrguse hindamisstandardid

Keskkonnakontrollid: temperatuur ja niiskus, ESD kaitse ja puhtusnõuded

J-STD-001 liigitab tooted kolme tasandisse.

Klass 1: üldised elektroonikatooted (olmeelektroonika)

Klass 2: spetsiaalsed elektroonikatooted (tööstus, telekommunikatsioon)

Klass 3: suure jõudlusega{1}}elektroonikatooted (sõjalised, kosmose-, meditsiini-)

Kõrgematel klassidel on rangemad nõuded jooteühenduste kvaliteedile ja protsesside kontrollile.

J-STD-002 "Komponentide juhtmete, otste, klemmide, klemmide ja juhtmete joodetavuse testid"

Määrab standardmeetodid komponentide juhtmete ja otste joodetavuse hindamiseks, sealhulgas:

Kastmistest: hindab juhtmete jootemärgumise astet

Niisutustasakaalu test: Mõõdab kvantitatiivselt märgamisjõu varieerumiskõveraid aja jooksul

Reflow test: simuleerib BGA jootekuuli märgumise käitumist SMT tagasivoolu tingimustes

J-STD-003 "Trükiplaatide joodetavuse testid"

Paljas PCB pinnaviimistluse (HASL, ENIG, OSP, immersioonhõbe, immersioontina jne) joodetavuse hindamise standardid.

IPC-A-610 "Elektrooniliste koostude vastuvõetavus"

Annab põhjalikud illustreeritud juhised, et teha kindlaks, kas jooteühendused ja koostu kvaliteet on vastuvõetavad. See on kõige laialdasemalt kasutatav visuaalse kontrolli võrdlusstandard.

Kvaliteedikontrolli tavad

Sissetulev kvaliteedikontroll (IQC)

Joodis: Keemilise koostise analüüs, sulamistemperatuuri määramine

Flux: happesisaldus, tahkete ainete sisaldus, halogeenisisalduse testimine

Komponendid: joottavuse proovide võtmine, plaadistuse paksuse mõõtmine

Protsessi kvaliteedikontroll (IPQC)

Jootepasta printimine: paksus, positsiooni nihe, silla tuvastamine (SPI-seadmed)

Reflow profiil: reaalajas{0}}temperatuuri jälgimine, tipptaseme/TAL-i salvestamine

Lainejootmine: jootetemperatuur, konveieri kiirus, räbu koguse jälgimine

Lõplik kvaliteedikontroll (FQC)

Automaatne optiline kontroll (AOI): defektide tuvastamine, nagu külmad liigendid, sillad ja ebapiisav joodis

Röntgenülevaatus: tühimike ja ühenduste tuvastamine BGA-de, QFN-ide jne peidetud jooteühendustes.

Elektriline testimine: avaneb/lühised, impedants, funktsionaalne kontroll

Jootesulami valiku otsustusraamistik

Rakenduse stsenaariumi analüüs

Jootesulamite valimine nõuab esmalt toote kasutamise stsenaariumide ja töökindlusnõuete selgitamist:

Tarbeelektroonika (nutitelefonid, tahvelarvutid, kantavad seadmed)

Peamised mured: mõju langus, kulude kontroll

Soovitatavad sulamid: SAC105, SAC0307 või vähese -hõbedaga legeeritud SAC

Flux: puudub{0}}puhas tüüp

Tööstus-/telekommunikatsiooniseadmed

Peamised mured: termilise tsükli töökindlus, pikaajaline{0}}stabiilsus

Soovitatavad sulamid: SAC305, SAC387

Räbustus: mitte-puhas või vees-lahustuv (koos puhastamisega)

Autoelektroonika

Peamised mured: lai temperatuurivahemik (-40 kraadi kuni +150 kraadi), vibratsiooni vastupidavus

Soovitatavad sulamid: SAC305/SAC387; kaaluge mootoriruumi piirkondades kõrge temperatuuriga -sulameid

Erinõuded: AEC{0}}Q100/Q200 sertifikaat

Lennundus/sõjandus

Peamised mured: äärmine töökindlus, plekkvurrude oht, pikk kasutusiga

Soovitatavad sulamid: võidakse vabastada tina-plii (Sn63/Pb37) või rangelt sertifitseeritud plii-vabade lahenduste kasutamisest

Erinõuded: NASA, ESA, MIL{0}}vastavus STD-le

Meditsiiniseadmed

Peamised mured: biosobivus, pikaajaline{0}}kindlus, vastavus eeskirjadele

Soovitatavad sulamid: SAC305 (implanteeritavad seadmed võivad kasutada tina-pliivabastust)

Erinõuded: FDA, ISO 13485 sertifikaat

Madala-temperatuuri koost

Peamised mured: termiliste kahjustuste vähendamine, kõveruse kontroll

Soovitatavad sulamid: Sn-Bi-seeria (Sn42Bi58, Sn42Bi57Ag1)

Kaalutlused: hinnake, kas mehaaniline tugevus vastab rakenduse nõuetele

Põhjalik hindamismaatriks

Praktilise valiku korral saab kõikehõlmavat hindamist läbi viia järgmistes mõõtmetes:

Tarneahela ja kulukaalutlused

Hõbeda hinna volatiilsusrisk

Hõbeda maksumus võib moodustada 60–70% SAC-sulami maksumusest. Kui hõbeda hinnad järsult kõiguvad, muutuvad vastavalt ka jootekulud. Soovitused:

Sõlmige tarnijatega hinnaluku lepingud

Hinnake madalate{0}}hõbedate alternatiivide teostatavust

Koostage mõistlik strateegiline inventuur

Tarnija sertifikaat

Kriitilised rakendused peaksid koostama kinnitatud hankijate loendid (AVL), mis nõuavad tarnijatelt:

Materjalide vastavusavaldused (RoHS, REACH, konflikti mineraalid)

Analüüsisertifikaadid (CoA)

Partii jälgitavus

Jootetavuse katsearuanded

Tulevikusuundumused ja tehnoloogia väljavaated

Täiustatud pakendite jootmise väljakutsed

Kuna kiibipakend areneb 2,5D/3D integratsiooni suunas, seisab jootmistehnoloogia silmitsi uute väljakutsetega:

Mikropunnid

Täiustatud pakendites on vasest samba mikrobump samm kahanenud alla 40 mikromeetri ja jootekihi paksus on vaid mõni mikromeeter. Sellised väikesed jootemahud võimendavad IMC kasvu mõju töökindlusele, mis nõuab täpsemat koostist ja protsessi juhtimist.

Hübriidliimimine

Mõned täiustatud pakendid on hakanud kasutusele võtma vase{0}}vask-otse sidumise, välistades täielikult joote. See võib olla ülimalt -suure-tihedusega ühenduste jaoks ülim lahendus, kuid praegused kulud on liiga suured, piirates selle kasutamist tipptasemel-rakendustega.

Madala{0}}temperatuuriga jootmistehnoloogia areng

Madala-temperatuuriga jootmine pole mitte ainult soojustundlike-komponentide nõue, vaid ka energiasäästu ja heitkoguste vähendamise peamine suundumus. Uurimissuunad hõlmavad järgmist:

Modifitseeritud Sn-Bi sulamid: rabeduse ületamine mikro-legeerimise, nano-tugevdamise ja muude lähenemisviiside abil

Transient Liquid Phase (TLP) sidumine: madala -sulamistemperatuuriga-vahekihtide kasutamine madala-temperatuuriga ühenduste jaoks, moodustades seejärel kõrge -sulamistemperatuuriga-metallidevahelised ühendid

Juhtivad liimid, mis asendavad joodist: hõbeda{0}}põhised juhtivad liimid, mis asendavad mõnes rakenduses traditsioonilist joodist

Jätkusuutlikkuse kaalutlused

Keskkonnasurve elektroonikatööstusele tugevneb jätkuvalt:

Olelusringi hindamine (LCA): joote keskkonnamõju ulatub toormaterjali kaevandamisest kuni toote -eluea-lõpu ringlussevõtuni

Ringmajandus: jootemetallide taaskasutamine ja taaskasutamine elektroonikajäätmetest

Energiatõhususe parandamine: Madala{0}}temperatuuriga jootmine vähendab ahju energiatarbimist

Kuigi tinajoodise sulamid moodustavad väikese osa elektroonikatoodetest, on nende ülesanne ühendada kogu elektroonikamaailm. Alates klassikalisest tina-plii-eutektikast kuni keeruliste mitme-elemendi plii-vabade sulamiteni, alates lihtsatest koostissuhetest kuni täpse mikrostruktuuri juhtimiseni – iga jootmisteaduse edusamm on viinud elektroonika tootmise suurema töökindluse, väiksemate mõõtmete ja madalamate kulude poole.

Juhtival{0}}vaba ajastul on SAC305-st saanud tööstuse peavool tänu oma tasakaalustatud üldisele jõudlusele; kuid ükski sulam ei vasta kõigile kasutusnõuetele. Insenerid peavad sügavalt mõistma erinevate sulamite omadusi ja tegema teaduslikke valikuotsuseid konkreetsete rakenduse usaldusväärsuse nõuete, protsessipiirangute ja kulueesmärkide põhjal.

Tulevikku vaadates areneb täiustatud pakenditehnoloogia ja jätkusuutlikkuse nõuded kasvavad, jootmistehnoloogia areneb edasi. Kuid hoolimata sellest, kuidas tehnoloogia muutub, ei muutu usaldusväärsete ühenduste otsimise põhiülesanne kunagi,-sest iga jootekoha töökindlus on seotud kogu elektroonilise süsteemi päästerõngaga.