การตรวจสอบความเข้ากันได้ของโลหะผสมของ Solder Paste

การเลือกแผ่นบัดกรีไม่ใช่การตัดสินใจแบบสแตนด์อโลน แต่เป็นความมุ่งมั่นระดับระบบที่ต้องการการตรวจสอบความเข้ากันได้ของโลหะผสมอย่างเข้มงวดทั่วทั้งห่วงโซ่การประกอบทั้งหมด รวมถึงวัสดุการสิ้นสุดส่วนประกอบ พื้นผิว PCB เสร็จสิ้น พารามิเตอร์การออกแบบลายฉลุ การควบคุมสภาพแวดล้อมในการพิมพ์ และการปรับแต่งโปรไฟล์การรีโฟลว์ เนื่องจากแม้แต่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนหรือจลนศาสตร์การเจริญเติบโตระหว่างโลหะที่ไม่ตรงกันเล็กน้อยก็สามารถแสดงออกมาได้เมื่อมีการเปิดเป็นระยะ ๆ หรือข้อบกพร่องของหัวในหมอนหลังจากการหมุนเวียนด้วยความร้อน เมื่อประเมินสารบัดกรีสำหรับการใช้งานที่มีความน่าเชื่อถือสูง วิศวกรจะต้องอ้างอิงข้ามอุณหภูมิของเหลว ช่วงโซลิดัส และความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันของโลหะผสมกับอัตราการแพร่ของโลหะฐานและพลังงานการประสานกับโลหะบัดกรีหลอมเหลว เนื่องจากการก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะ Cu-Sn อย่างรวดเร็วบนแผ่นทองแดงเปลือยอาจทำให้ปริมาตรการบัดกรีในท้องถิ่นลดลง หากโลหะผสมขาดความทนทานต่อ Cu ที่เพียงพอ หรือหากเวลาคงอยู่เกิน 60 วินาทีที่สูงกว่า 217°C ความล้มเหลวด้านความเข้ากันได้ที่พบบ่อยที่สุดไม่ได้เกิดขึ้นในระหว่างการพิมพ์ แต่อยู่ในโซนการจัดเรียงใหม่ ซึ่งพฤติกรรมการทำให้เปียกที่ไม่ตรงกันระหว่างสารบัดกรี SAC305 และแผ่นอิเล็กโทรดที่เคลือบด้วย ENIG นำไปสู่การก่อตัวของวงเดือนที่ไม่สอดคล้องกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความหนาของชั้น Ni-P ลดลงต่ำกว่า 3 µm หรือมีการแยกฟอสฟอรัสที่ขัดขวางการเกิดนิวเคลียสระหว่างโลหะ Sn-Ni

ดังนั้น การทดสอบความเข้ากันได้ของโลหะผสมจึงต้องรวมทั้งการทดลองเร่งอายุและการตรวจสอบกระบวนการแบบเรียลไทม์ เช่น การวัดการตกตะกอนของเพสต์หลังจาก 4 ชั่วโมงที่ 25°C และ 60% RH การติดตามค่าความหนืดที่ลอยไปในช่วง 8 ชั่วโมงโดยใช้รีโอเมทรีแบบหมุน และการเปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของอายุการใช้งานของลายฉลุระหว่างอาร์เรย์รูรับแสงที่เหมือนกันที่พิมพ์ด้วย SAC305 กับเพสต์ SN100C ภายใต้การตั้งค่าแรงดันและความเร็วของปาดน้ำที่เหมือนกัน เนื่องจากความแตกต่างใน Ag และ เนื้อหา Cu ส่งผลโดยตรงต่อความผันผวนของยานพาหนะฟลักซ์และแนวโน้มการรวมตัวของอนุภาคโลหะภายใต้แรงเฉือน สำหรับบอร์ดเทคโนโลยีผสมที่มีทั้งตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่สิ้นสุดด้วย SnPb และ BGA ไร้สารตะกั่ว จะไม่สามารถสันนิษฐานได้ว่าความเข้ากันได้แม้ว่าส่วนประกอบทั้งสองจะใช้ชื่อโลหะผสมที่ระบุเหมือนกัน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในความหนาของการชุบ ความสมบูรณ์ของแผงกั้น Ni พื้นฐาน และประวัติการอบอ่อนหลังการชุบจะเปลี่ยนจลนพลศาสตร์ของการละลายในระหว่างการรีโฟลว์ และการข้ามการวิเคราะห์ภาคตัดขวางของข้อต่อทดสอบที่มีความเสี่ยงที่มองข้ามช่องว่างใต้ผิวดินที่เกิดจากการหมดสภาพของฟลักซ์ก่อนเวลาอันควรก่อนที่จะเต็ม การรวมตัวกัน เมื่อเปลี่ยนจาก Sn63Pb37 แบบดั้งเดิมไปเป็น SAC105 เงินต่ำ ผู้ปฏิบัติงานมักจะมองข้ามว่าปริมาณ Ag ที่ลดลงจะลดความต้านทานของโลหะผสมต่อการเกิดออกซิเดชันของขอบเขตเกรนได้อย่างไร โดยต้องมีการควบคุมความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนที่เข้มงวดมากขึ้นในห้อง reflow เพื่อรักษาระดับ O₂ ให้ต่ำกว่า 100 PPM มิฉะนั้น การบัดกรีบอลing จะเพิ่มขึ้นสูงถึง 40% บนพาสซีฟ 0201 เนื่องจากสมดุลแรงตึงผิวหยุดชะงัก

การตรวจสอบความเข้ากันได้ยังขยายไปถึงปฏิกิริยาในการทำความสะอาดทางเคมีด้วย เนื่องจากฟลักซ์ตกค้างที่ละลายน้ำได้บางส่วนจากครีมบัดกรีที่ไม่สะอาดแสดงการเปลี่ยนแปลงความสามารถในการละลายที่ขึ้นกับ pH เมื่อสัมผัสกับสารซาโปนิฟายเออร์ที่เป็นด่างที่ใช้ในเครื่องซักผ้าแบบอินไลน์ และไอออนฮาไลด์ที่ตกค้างจากสารกระตุ้นที่ใช้ฮาโลเจนอาจเร่งการกัดกร่อนบนชั้น Cu/Ni/Au หากค่าการนำไฟฟ้าในการล้างเกิน 10 µS/ซม. ดังนั้นการทดสอบความต้านทานของ น้ำล้างขั้นสุดท้ายจะต้องมาพร้อมกับคุณสมบัติการบัดกรีใหม่ทุกครั้ง ความล้มเหลวของสนามที่เกิดจากความไม่เข้ากันของโลหะผสมที่มีส่วนผสมของสารบัดกรีมักแสดงหลักฐานทางโครงสร้างจุลภาคของการเป็นโมฆะของ Kirkendall ที่อินเทอร์เฟซ Cu-Sn หรือการแยกเฟส Sn-rich ตามแนวขอบเขตของเกรน ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีความสัมพันธ์อย่างมากกับอัตราการทำความเย็นที่ไม่ตรงกันระหว่างมวลของบอร์ดและมวลความร้อนของส่วนประกอบ ซึ่งหมายความว่าการปรับความเร็วของสายพานลำเลียงของเตาอบจะต้องได้รับการตรวจสอบควบคู่ไปกับการเลือกโลหะผสม แทนที่จะถือเป็นตัวแปรอิสระ การมีอยู่ของ Bi ในโลหะผสมที่มีอุณหภูมิต่ำ เช่น Sn42Bi58 ทำให้เกิดความซับซ้อนเพิ่มเติม เนื่องจาก Bi จะแยกตามขอบเขตของเกรนเป็นพิเศษในระหว่างการแข็งตัวและข้อต่อที่เปราะภายใต้แรงกระแทกทางกล เว้นแต่จะจับคู่กับโครงสร้างเกรนที่ผ่านการขัดเกลาซึ่งทำได้โดยการกวนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในระหว่างการผลิตแบบเพสต์ หรือโปรไฟล์ทางลาดถึงจุดสูงสุดที่ปรับให้เหมาะสม ซึ่งจำกัดเวลาที่สูงกว่า 138°C เหลือต่ำกว่า 90 วินาที

ไม่มีเอกสารข้อมูลซัพพลายเออร์ที่มีส่วนผสมของสารบัดกรีมาแทนที่การตรวจสอบเชิงประจักษ์บนฮาร์ดแวร์การผลิตจริง เนื่องจากรูปทรงของช่องรับแสงของสเตนซิล อัตราส่วนการลดขนาดแผ่น และความผันผวนของความชื้นโดยรอบมีปฏิกิริยาไม่เป็นเชิงเส้นกับอัตราการสร้างออกไซด์ของพื้นผิวจำเพาะของโลหะผสม และแม้กระทั่งล็อตของสารประสานที่เหมือนกันก็มีพฤติกรรมแตกต่างกันเมื่อพิมพ์บนวงจรโพลีอิไมด์เฟล็กซ์ที่ระเหยด้วยเลเซอร์ เทียบกับบอร์ดแข็ง FR-4 เนื่องจากก๊าซออกและผลกระทบจากแผงระบายความร้อนที่แตกต่างกันในระหว่างการรีโฟลว์ ดังนั้น การลงนามความเข้ากันได้ต้องประสบความสำเร็จอย่างน้อยสามครั้งติดต่อกันในทีมกะที่แตกต่างกันสองทีมโดยใช้ หมายเลขล็อตเดียวกัน โดยมีเกณฑ์การยอมรับ IPC-A-610 Class 2 ใช้กับข้อต่อบัดกรีทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้น