Контроль скорости охлаждения после оплавления является не второстепенным фактором, а решающим фактором, определяющим окончательную микроструктуру, межфазную целостность и долговременную надежность каждого соединения припоя, поскольку кинетика затвердевания определяет расслоение фаз, измельчение зерен и рост интерметаллических соединений (IMC) на границе раздела медь-припой, а отклонения всего в 1 °C/с могут сместить режим разрушения от пластичного разрушения к хрупкому межфазному разделению при термоциклировании.
Высокая скорость охлаждения, обычно более 3°C/с для Sn63Pb37 или 2,5°C/с для SAC305, подавляет диффузию атомов во время затвердевания, что приводит к более тонким дендритным сеткам, богатым оловом, уменьшению размера первичного зерна β-Sn и более узкой толщине интерметаллического слоя Cu6Sn5, который часто остается ниже 1,8 мкм после воздушного охлаждения по сравнению с более чем 3,2 мкм после охлаждения в печи, однако это преимущество сопровождается увеличением остаточного слоя. растягивающее напряжение из-за дифференциального сжатия между припоем и подложкой печатной платы, что повышает вероятность возникновения микротрещин вблизи краев контактной площадки или внутри объемного припоя, особенно в сочетании с большими размерами компонентов или материалами с высоким несоответствием КТР, такими как FR-4.
И наоборот, медленное охлаждение со скоростью ниже 0,5 °C/с позволяет продлить время выше эвтектической температуры, способствуя чрезмерному росту Cu6Sn5 и даже образованию Cu3Sn на границе раздела меди, где толщина IMC может превысить 4,5 мкм в течение нескольких минут, что приводит к хрупкости и снижению прочности на сдвиг до 22% по сравнению с оптимально охлажденными образцами, а также обеспечивает зарождение пустот Киркендалла на границе Cu/Cu6Sn5 из-за несбалансированный поток Cu и Sn, особенно в сильноточных приложениях, где электромиграция ускоряет накопление вакансий.
Состав сплава припоя определяет оптимальное окно: Pb-содержащие сплавы допускают более низкие скорости из-за более низких температур солидуса и более широкого диапазона пастообразности, тогда как бессвинцовые варианты SAC требуют более жесткого контроля, поскольку их более крутые градиенты ликвидус-солидус усиливают чувствительность к сегрегации, вызванной охлаждением, например, локализованное скопление Ag3Sn происходит быстрее при неравномерном охлаждении, создавая неоднородное распределение твердости и преждевременные пути усталостных трещин во время испытаний на падение с уровня платы.
Геометрия соединения дополнительно модулирует тепловую массу и эффективность отвода тепла, поэтому резистор 0805, припаянный к одной и той же планке, демонстрирует заметно отличающееся эффективное охлаждение, чем конденсатор 1206 или корпус QFN с тепловыми отверстиями. Это означает, что профили замедления печи должны калиброваться для каждого семейства продуктов, а не применяться глобально, а использование нагнетательных сопел в системах выборочного оплавления требует проверки термопары в реальном времени в реальных местах соединений, а не только на поверхности платы, чтобы избежать вводящих в заблуждение средних значений. показания, которые маскируют локальный перегрев или переохлаждение.
Стабильность производства ухудшается, когда охлаждение не контролируется, поскольку изменение температуры окружающей среды, скорости конвейера или расхода продувочного азота от партии к партии изменяет эффективную скорость, не вызывая аварийных сигналов, что приводит к незначительному, но кумулятивному ухудшению срока службы термического цикла, когда соединения из одной и той же линии демонстрируют среднее число циклов до отказа в диапазоне от 1200 до 2900 в зависимости исключительно от того, составляла ли средняя скорость зоны после оплавления 1,7 °C/с или 0,9°C/с в течение трех последовательных смен.
Инструменты термического профилирования должны фиксировать как минимум две термопары на каждое критическое соединение, одну на конце компонента, одну на соседней площадке, чтобы разрешить пространственные градиенты, поскольку различия, превышающие 4 ° C на одном шаре BGA с шагом 0,4 мм, указывают на неравномерное затвердевание, которое способствует асимметричному росту IMC и асимметричному распределению напряжений, и такие данные должны передаваться непосредственно в настройки печи с замкнутым контуром, а не архивироваться для автономного просмотра только после того, как произойдет падение текучести.
Анализ возврата в полевых условиях последовательно выявляет ранние разрывы и прерывистые короткие замыкания с дефектами, связанными с охлаждением, включая микропустоты под большими подушками, столбчатое растрескивание IMC после доработки и предшественники усов Sn, образующиеся во время медленного охлаждения, все из которых можно предотвратить с помощью протоколов квалификации с учетом скорости, которые включают поперечное сечение, испытание на сдвиг и ускоренное термоциклирование при температуре от -40°C до +125°C с 15-минутной выдержкой.
