Прочность соединения припоя – это не внутреннее свойство материала, а результат, определяемый динамическим взаимодействием химического состава сплава, параметров профиля оплавления, качества поверхности контактной площадки и термического старения после пайки; например, припой Sn63Pb37 обычно обеспечивает прочность на сдвиг 28–32 МПа на медных контактных площадках, обработанных ENIG, при охлаждении со скоростью 3 ° C / с после пикового оплавления при 225 ° C, тогда как тот же сплав на OSP-покрытии Cu может упасть до 24–27 МПа из-за образования более тонкого интерметаллического соединения (IMC) и более высокой плотности межфазных пустот.
Толщина и морфология слоя IMC Cu6Sn5 на границе раздела припой-медь напрямую модулируют прочность соединения, причем рост IMC подчиняется параболическому закону со временем и температурой, поэтому 120-секундная выдержка при 180 ° C во время выдержки увеличивает среднюю толщину IMC с 1,8 мкм до 3,1 мкм, что первоначально усиливает соединение, но более 4,5 мкм приводит к хрупкости и снижает энергию разрушения до 35% при сдвиге. загрузка.
Варианты бессвинцовых припоев, такие как SAC305, имеют более высокую температуру солидуса и более узкий диапазон пастообразности, что приводит к более крутым градиентам ликвидус-солидус, которые усиливают микроструктурную сегрегацию во время затвердевания, и этот эффект в сочетании с более медленной кинетикой диффузии в системах Sn–Ag–Cu приводит к более крупным дендритам β-Sn и кластеризации частиц Ag3Sn, которые снижают эффективную передачу нагрузки через соединение и объясняют, почему Соединения SAC305 на погружных серебряных пластинах демонстрируют среднюю прочность на сдвиг на 12–15 % ниже, чем Sn63Pb37, при идентичных условиях оплавления.
Совместимость отделки поверхности играет решающую роль в воспроизводимости прочности соединения, поскольку электрохимическое иммерсионное никелевое золото (ENIG) обеспечивает равномерный барьер против окисления меди, но при этом вносит хрупкий Ni3Sn4 на границу раздела Ni-припой, когда температура оплавления превышает 240 ° C в течение более 60 секунд, тогда как органический консервант для пайки (OSP) обеспечивает отличную смачиваемость для Sn63Pb37, но быстро разлагается при температуре выше 200 ° C, что приводит к непостоянная межфазная адгезия и разброс измеренных значений прочности соединения, превышающий ±9% в производственных партиях.
Скорость охлаждения после оплавления критически влияет на измельчение зернистой структуры, поскольку более быстрое охлаждение подавляет чрезмерный рост IMC и ограничивает укрупнение зерен β-Sn, а контролируемое снижение скорости на 4 °C/с дает соединения с пределом текучести на 11% выше, чем охлаждение со скоростью 1 °C/с на той же подложке FR-4, хотя чрезмерно быстрая закалка ниже 2 °C/с может привести к термическому растрескиванию в BGA или керамических корпусах большой площади.
Воздействие термоциклирования ускоряет утолщение IMC и образование пустот Киркендалла на границе Cu-IMC, особенно в сплавах с высоким содержанием меди, таких как Sn96.5Ag3.0Cu0,5, где 500 циклов при температуре от -40°C до 125°C увеличивают среднюю толщину IMC с 2,4 мкм до 6,7 мкм и коррелируют со снижением средней прочности соединения на 42%, что подтверждает долгосрочную надежность. не может быть выведено исключительно на основе данных механических испытаний после оплавления.
Химический состав остатков флюса сильно взаимодействует с составом припоя, поскольку содержащие галогениды флюсы, не требующие очистки, способствуют локализованной коррозии на кромке припоя и площадки в сочетании со сплавами с высоким содержанием олова, и этот путь разложения становится доминирующим после хранения при 85°C и относительной влажности 85% в течение 1000 часов, снижая вязкость межфазного разрушения до 28% без видимого ухудшения объема припоя.
Изменение прочности соединения на одной печатной плате часто связано с локальными различиями в тепловой массе, а не с несоответствием припоя стержня, поскольку соседние пассивные компоненты 0402 и корпуса QFN-48 вызывают разные скорости отвода тепла во время охлаждения, и это вызывает градиенты толщины IMC ± 1,3 мкм на расстоянии 25 мм, что напрямую приводит к измеримому разбросу прочности на сдвиг ± 7,2 МПа даже при использовании сертифицированного припоя стержня с <0>.
Атмосфера оплавления имеет большее значение для припоев с высокой температурой плавления, таких как Sn96.5Ag3.0Cu0.5, поскольку азотная среда с содержанием O₂ <100>.
В конечном счете, прочность соединения припоя должна оцениваться в контексте всего процесса, а не как отдельное значение спецификации, поскольку незначительные отклонения в скорости конвейера, точности размещения термопар или толщине стопки платы изменяют температурные профили настолько, что смещают кинетику IMC, плотность зарождения зерен и распределение остаточных напряжений, и все эти факторы сходятся, чтобы определить окончательную механическую целостность каждого паяного соединения.
