Припойная проволока на основе составов низкотемпературных сплавов, обычно содержащая эвтектику висмута, индия или олова-висмута с температурой плавления ниже 150°C, обеспечивает целевую гибкость процесса для термически хрупких компонентов, однако ее структурная целостность заметно ухудшается при воздействии механического напряжения, длительного термического воздействия или повторного термоциклирования, поскольку более низкая температура плавления сильно коррелирует с уменьшением сцепления решетки, снижением сопротивления подвижности дислокаций и более узким диапазоном затвердевания, что способствует микросегрегации во время охлаждение.
Состав сплава низкотемпературной припойной проволоки по своей природе жертвует пластичностью ради быстрого затвердевания, поскольку добавление висмута в количестве более 47 массовых процентов приводит к появлению хрупких фаз с высоким содержанием висмута вдоль границ зерен, в то время как избыточное содержание индия размягчает матрицу и ускоряет взаимную диффузию на границах раздела меди, что приводит к преждевременному образованию пустот и снижению надежности паяных соединений, особенно в условиях вибрации или изгибных нагрузок, встречающихся в сборках автомобильной и носимой электроники.
Характеристики смачивания припоя из низкотемпературных сплавов значительно ухудшаются на контактных площадках печатных плат, обработанных OSP, и поверхностях ENIG из-за медленной кинетики активации флюса при пиках оплавления ниже 200°C, а также из-за того, что пониженное поверхностное натяжение расплавленных сплавов Bi-Sn препятствует самопроизвольному капиллярному течению в зазоры с мелким шагом, что приводит к неравномерному образованию галтелей, неполному покрытию контактной площадки и более высокому уровню дефектов «головка в подушке» во время QFN и Операции по ремонту BGA.
Рост интерметаллических соединений на границе раздела припой-медь остается термодинамически нестабильным в системах низкотемпературных сплавов, поскольку образование Cu6Sn5 подавляется при температуре ниже 210°C, а зарождение Cu3Sn задерживается при температуре выше 180°C, что вызывает неравномерное распределение толщины IMC по соединениям, увеличивает межфазное удельное сопротивление с течением времени и снижает порог образования пустот Киркендалла во время циклических испытаний, проводимых при 85°C и относительной влажности 85% для 1000 часов.
Сопротивление термической усталости припоя из низкотемпературного сплава резко падает после 500 циклов в диапазоне от -40°C до +125°C не только из-за усиления несоответствия коэффициентов термического расширения между подложками SnBi и FR-4, но также из-за прогрессирующего укрупнения первичных дендритов Sn и агломерации фазы Bi, которая нарушает непрерывность при циклическом напряжении, тем самым ускоряя распространение трещин вдоль слабых межзернистые пути, ранее не наблюдаемые в обычных суставах SAC305.
Стабильность хранения представляет собой еще одно эксплуатационное ограничение, поскольку припой из низкотемпературного сплава быстрее окисляется в окружающем воздухе из-за более высокой поверхностной активности висмута и меньшей энергии адгезии оксидной пленки, что требует продувки азотом во время размотки катушки, немедленного нанесения флюса перед подачей и строгого контроля влажности ниже 30% относительной влажности в шкафах для хранения катушек, чтобы предотвратить деградацию флюса и образование комков припоя во время печати.
Электропроводность припоя из низкотемпературного сплава падает на 15–22% ниже стандартных эквивалентов Sn63Pb37 из-за рассеяния электронов на фазовых границах Bi–Sn и уменьшения средней длины свободного пробега в сегрегированной микроструктуре, что делает его непригодным для сильноточных дорожек, пропускающих ток более 3 А без компенсации площади поперечного сечения, и ограничивает его использование в силовых модулях, где джоулевой нагрев должен оставаться ниже 5 °C/Вт при повышении температуры перехода к окружающей среде.
Сужение технологического окна становится неизбежным при замене припоя из низкотемпературного сплава на устаревшие линии поверхностного монтажа, изначально откалиброванные для пиковых профилей 220–250°C, поскольку необходимо замедлить скорость предварительного нагрева, чтобы избежать разбрызгивания флюса из-за преждевременного взрыва растворителя, продолжительность выдержки увеличивается, чтобы обеспечить равномерную температуру сердцевины, несмотря на более низкое проникновение тепловой массы, а скорость потока азота увеличивается как минимум на 30% для подавления окисления Bi во время удержания в расплавленном состоянии.
Прочность соединения на сдвиг, измеренная в соответствии с IPC-J-STD-002, падает с 32 МПа для SAC305 до 18–21 МПа для припоя Sn42Bi58 после 24-часового старения при окружающей среде и далее снижается до 12–14 МПа после старения паром при 100°C в течение 8 часов, подтверждая, что поглощение влаги ускоряет гидролитическое разложение канифольных активаторов и способствует образованию межфазного слоя. расслоение барьерного слоя Ni(P) в покрытиях ENIG.
При выборе замены необходимо учитывать компромисс между запасом тепловой безопасности и долгосрочной механической живучестью, поскольку выбор припоя из низкотемпературного сплава исключительно для защиты MLCC или драйверов OLED игнорирует его необратимое охрупчивание после трех проходов оплавления, его несовместимость с оборудованием для волновой пайки, в котором отсутствует точный контроль температуры ванны 138–145 ° C, и его неспособность выдерживать механические ударные нагрузки, превышающие 1500 г, без объемного разрушения в сценариях испытаний на падение портативных устройств.
