A resistência da junta da barra de solda não é uma propriedade intrínseca do material, mas um resultado emergente moldado pela interação dinâmica entre a química da liga, parâmetros do perfil de reFluxo, acabamento superficial da almofada e envelhecimento térmico pós-soldagem; por exemplo, uma barra de solda Sn63Pb37 normalmente oferece resistência ao cisalhamento de 28–32 MPa em almofadas de cobre com acabamento ENIG quando resfriada a 3 ° C / s após refluxo de pico a 225 ° C, enquanto a mesma liga em Cu revestido com OSP pode cair para 24–27 MPa devido à formação de composto intermetálico mais fino (IMC) e maior densidade de vazios interfaciais.
A espessura e a morfologia da camada Cu6Sn5 IMC na interface solda-cobre modulam diretamente a resistência da junta, onde o crescimento do IMC segue uma lei parabólica com o tempo e a temperatura, portanto, uma permanência de 120 segundos a 180 ° C durante a imersão aumenta a espessura média do IMC de 1,8 μm para 3,1 μm, o que inicialmente fortalece a ligação, mas Além de 4,5 μm introduz fragilidade e reduz a energia de fratura em até 35% sob carga de cisalhamento.
Variantes de barra de solda sem chumbo, como SAC305, exibem temperatura solidus mais alta e faixa pastosa mais estreita, causando gradientes liquidus-solidus mais acentuados que amplificam a segregação microestrutural durante a solidificação, e esse efeito, combinado com cinética de difusão mais lenta em sistemas Sn – Ag – Cu, leva a dendritos β-Sn mais grosseiros e agrupamento de partículas Ag3Sn, ambos os quais reduzem a transferência efetiva de carga através da junta e explicam por que as juntas SAC305 em placas de prata de imersão apresentam resistência média ao cisalhamento 12–15% menor do que Sn63Pb37 sob condições de refluxo idênticas.
A compatibilidade do acabamento superficial desempenha um papel decisivo na reprodutibilidade da resistência da junta, porque o ouro de imersão em níquel sem eletrólito (ENIG) fornece uma barreira uniforme contra a oxidação do cobre, mas introduz Ni3Sn4 frágil na interface Ni-solda quando o refluxo excede 240°C por mais de 60 segundos, enquanto o preservativo orgânico de soldabilidade (OSP) oferece excelente molhabilidade para Sn63Pb37, mas degrada rapidamente acima de 200°C, resultando em resultados inconsistentes. adesão interfacial e dispersão em valores medidos de resistência da junta excedendo ±9% em lotes de produção.
A taxa de resfriamento pós-refluxo influencia criticamente o refinamento da estrutura do grão, uma vez que o resfriamento mais rápido suprime o crescimento excessivo do IMC e limita o engrossamento do grão β-Sn, e uma redução controlada de 4 ° C / s produz juntas com resistência ao escoamento 11% maior em comparação com 1 ° C / s resfriamento no mesmo substrato FR-4, embora a têmpera excessivamente rápida abaixo de 2 ° C / s arrisque rachaduras por choque térmico em BGAs de grandes áreas ou embalagens cerâmicas.
A exposição ao ciclo térmico acelera o espessamento do IMC e a formação de vazios de Kirkendall no limite Cu –IMC, especialmente em ligas com alto teor de cobre como Sn96.5Ag3.0Cu0.5, onde 500 ciclos entre -40°C e 125°C aumentam a espessura média do IMC de 2,4 μm para 6,7 μm e se correlacionam com uma redução de 42% na resistência média da articulação, confirmando que a longo prazo a confiabilidade não pode ser inferida apenas a partir de dados de testes mecânicos refluídos.
A química dos resíduos de fluxo interage fortemente com a composição da barra de solda, já que fluxos não limpos contendo haleto promovem corrosão localizada na borda da almofada de solda quando combinados com ligas de alto Sn, e esse caminho de degradação se torna dominante após armazenamento a 85°C/85% de umidade relativa por 1.000 horas, reduzindo a tenacidade à fratura interfacial em até 28% sem deterioração visível da solda em massa.
A variação da resistência da junta em um único PCB é muitas vezes rastreável às diferenças locais de massa térmica, em vez da inconsistência da barra de solda, porque os passivos 0402 adjacentes e os pacotes QFN-48 impõem taxas de extração de calor divergentes durante o resfriamento, e isso causa gradientes de espessura IMC de ± 1,3 μm em uma extensão de 25 mm, traduzindo-se diretamente em uma dispersão mensurável da resistência ao cisalhamento de ± 7,2 MPa, mesmo ao usar uma barra de solda certificada com <0>
A atmosfera de refluxo é mais importante para barras de solda de alto ponto de fusão, como Sn96.5Ag3.0Cu0.5, porque ambientes de nitrogênio com O₂ <100>
Em última análise, a resistência da junta da barra de solda deve ser avaliada dentro de todo o contexto do processo, não como um valor de folha de especificações independente, porque pequenos desvios na velocidade do transportador, na precisão da colocação do termopar ou na espessura do empilhamento da placa alteram os perfis térmicos o suficiente para alterar a cinética do IMC, a densidade de nucleação de grãos e a distribuição de tensão residual, todos os quais convergem para definir a integridade mecânica final de cada junta de solda.
