Присутствие примеси Fe в системах сплавов припоя, особенно в составах Sn-Ag-Cu, Sn-Cu и Sn-Pb, приводит к серьезным металлургическим осложнениям, поскольку Fe демонстрирует чрезвычайно низкую растворимость в расплавленном олове, обычно ниже 0,005 мас.% при 250 ° C, а любой избыток быстро образует стабильные интерметаллические соединения FeSn2 во время затвердевания, которые затем сегрегируют преимущественно на границах зерен. и границ раздела фаз, ухудшая как объемную когезию, так и межфазную адгезию к медным площадкам. Когда содержание Fe увеличивается с 0,002 мас.% до 0,02 мас.%, средний размер частиц FeSn2 увеличивается от субмикронных кластеров до ограненных пластинок размером 2–5 мкм, что резко снижает удлинение при растяжении на 22–35% в нескольких тестовых партиях, сохраняя при этом почти постоянный предел текучести, что указывает на охрупчивание, а не на размягчение. Укрупнение FeSn2 также препятствует движению дислокаций при сдвиговой нагрузке и создает локализованные зоны концентрации напряжений, которые инициируют микротрещины при термомеханическом циклировании, особенно после 500 циклов при температуре от -40°C до 125°C.
Во время пайки оплавлением примеси Fe синергетически взаимодействуют с органическими компонентами флюса, ускоряя разложение кислоты посредством путей каталитического окисления, которые снижают эффективную энергию активации распада канифольной смолы примерно на 18 кДж/моль, что приводит к преждевременному исчерпанию флюса до достижения полного смачивания, особенно на окисленных поверхностях Cu, где градиенты поверхностного натяжения становятся более чувствительными к накоплению летучих побочных продуктов. Это приводит к неравномерному слипанию припоя, уменьшению коэффициента растекания на платах с OSP-покрытием и более высокой скорости образования пустот (более 25 %) в термопрокладках QFN, когда Fe превышает 0,015 % масс. Важно отметить, что частицы FeSn2 действуют как места гетерогенного зародышеобразования для роста Cu6Sn5 во время старения, вызывая более раннее и неравномерное утолщение интерметаллического слоя на границе раздела припой-медь, причем измерения показывают увеличение толщины IMC на 40% после 1000 часов при 150 ° C по сравнению с эталонными образцами, очищенными от Fe.
Выбор сырья играет решающую роль, поскольку загрязнение Fe обычно происходит из-за мелющих тел из нержавеющей стали, используемых при измельчении слитков Sn, переработанного лома Sn, содержащего окалину припоя, содержащего железо, или неправильной футеровки тигля в печах непрерывной разливки, где выщелачивание Fe происходит при температуре выше 320°C; Таким образом, переход от нержавеющей стали 304 к инструментам из графита с покрытием SiC снижает налипание Fe более чем на 70% в ходе пилотных испытаний, а внедрение магнитной сепарации перед волочением проволоки снижает содержание Fe с 0,032 мас.% до 0,008 мас.% последовательно в 12 производственных партиях. Параметры волочения проволоки дополнительно модулируют распределение Fe, поскольку чрезмерные коэффициенты сокращения выше 85% способствуют фрагментации и перераспределению FeSn2 вдоль оси проволоки, создавая локализованные горячие точки кластеризации хрупкой фазы, которые сильно коррелируют с поломкой во время работы автоматической подачи и непостоянной скоростью подачи в высокоскоростных укладочных машинах.
Валидация процесса должна включать EDX-картирование образцов поперечного сечения проволоки рядом со следами дифференциальной сканирующей калориметрии, поскольку образование FeSn2 подавляет интенсивность эвтектического пика и уширяет начало плавления на 1,2–2,4 °C на кривых ДСК, обеспечивая непрямой, но быстрый метод скрининга, когда SEM-EDS недоступен. Для групп по закупкам важно указывать в заказах на поставку максимальные пределы Fe на уровне ≤0,010 мас.%, а не только типичные значения, поскольку в сертификатах поставщиков часто указываются только средние уровни Fe партии, не раскрывая стандартное отклонение, а одна катушка с выбросом 0,028 мас.% Fe может вызвать сбои в эксплуатации в автомобильных модулях ADAS, подверженных вибрации и тепловому удару. Мониторинг в реальном времени с использованием портативных приборов LIBS, откалиброванных по стандарту NIST SRM 1719a, показывает пределы обнаружения до 0,003 мас.% Fe на месте, что позволяет немедленно отбраковывать партию до начала намотки проволоки, тем самым предотвращая остановки линии на выходе, вызванные плохим смачиванием или дефектами «головка в подушке», связанными с нестабильностью флюса, вызванной Fe.
