จุดอ่อนของโลหะผสมอุณหภูมิต่ำของลวดบัดกรี

ลวดบัดกรีที่ใช้สูตรโลหะผสมที่อุณหภูมิต่ำ โดยทั่วไปประกอบด้วยบิสมัท อินเดียม หรือยูเทคติกดีบุก-บิสมัทที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า 150°C ให้ความยืดหยุ่นในกระบวนการที่เป็นเป้าหมายสำหรับส่วนประกอบที่เปราะบางทางความร้อน แต่ความสมบูรณ์ของโครงสร้างจะลดลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่ออยู่ภายใต้ความเครียดทางกล การสัมผัสกับความร้อนเป็นเวลานาน หรือการหมุนเวียนด้วยความร้อนซ้ำๆ เนื่องจากจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่ามีความสัมพันธ์อย่างมากกับการยึดเกาะของตาข่ายที่ลดลง ความต้านทานการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ที่ลดลง และ ช่วงการแข็งตัวที่แคบลงซึ่งส่งเสริมการแบ่งแยกระดับจุลภาคระหว่างการทำความเย็น

องค์ประกอบของโลหะผสมของลวดบัดกรีที่อุณหภูมิต่ำโดยเนื้อแท้จะเสียสละความเหนียวเพื่อการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว เนื่องจากการเติมบิสมัทที่มากกว่า 47 เปอร์เซ็นต์น้ำหนักทำให้เกิดเฟสที่อุดมด้วย Bi ที่เปราะตามแนวขอบเขตของเกรน ในขณะที่ปริมาณอินเดียมที่มากเกินไปจะทำให้เมทริกซ์อ่อนลงและเร่งการแพร่กระจายที่ส่วนต่อประสานของทองแดง นำไปสู่การก่อตัวของโมฆะก่อนเวลาอันควรและความน่าเชื่อถือของข้อต่อประสานที่อ่อนแอลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะการสั่นสะเทือนหรือการรับแรงดัดงอที่พบในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของยานยนต์และอุปกรณ์สวมใส่

พฤติกรรมการเปียกของลวดบัดกรีโลหะผสมอุณหภูมิต่ำจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญบนแผ่น PCB ที่ทำ OSP เสร็จแล้วและพื้นผิว ENIG เนื่องจากจลนศาสตร์การกระตุ้นฟลักซ์ที่ช้าที่จุดสูงสุดของการรีโฟลว์ที่ต่ำกว่า 200°C และเนื่องจากแรงตึงผิวที่ลดลงของโลหะผสม Bi-Sn หลอมเหลวขัดขวางการไหลของเส้นเลือดฝอยที่เกิดขึ้นเองในช่องว่างระดับละเอียด ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเนื้อที่ไม่สอดคล้องกัน ความครอบคลุมของแผ่นที่ไม่สมบูรณ์ และอัตราการหมอนหนุนศีรษะที่สูงขึ้น ข้อบกพร่องระหว่างการดำเนินการปรับปรุง QFN และ BGA

การเจริญเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะที่ส่วนต่อประสานระหว่างโลหะบัดกรีและทองแดงยังคงไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ในระบบโลหะผสมที่มีอุณหภูมิต่ำ เนื่องจากการก่อตัวของ Cu6Sn5 ถูกระงับไว้ต่ำกว่า 210°C และการเกิดนิวเคลียสของ Cu3Sn นั้นล่าช้าเกิน 180°C ซึ่งทำให้การกระจายความหนาของ IMC ไม่สม่ำเสมอทั่วข้อต่อ เพิ่มความต้านทานต่อพื้นผิวเมื่อเวลาผ่านไป และลดเกณฑ์สำหรับการสร้างโมฆะ Kirkendall ในระหว่างการทดสอบการหมุนเวียนพลังงานที่ดำเนินการที่ 85°C/85% RH เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง

ความต้านทานความเหนื่อยล้าจากความร้อนของลวดบัดกรีโลหะผสมอุณหภูมิต่ำจะลดลงอย่างรวดเร็วหลังจาก 500 รอบระหว่าง -40°C ถึง +125°C ไม่เพียงเพราะค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อนและการขยายตัวที่ไม่ตรงกันระหว่างซับสเตรต SnBi และ FR-4 เท่านั้น แต่ยังเนื่องจากการหยาบแบบก้าวหน้าของเดนไดรต์ปฐมภูมิ Sn และการรวมตัวของเฟส Bi ที่หักความต่อเนื่องภายใต้ความเครียดแบบวน จึงเร่ง การแพร่กระจายของรอยแตกร้าวตามเส้นทางตามขอบเกรนที่อ่อนแอซึ่งก่อนหน้านี้ไม่สามารถสังเกตได้ในข้อต่อ SAC305 ทั่วไป

ความเสถียรในการจัดเก็บมีข้อจำกัดในการปฏิบัติงานอีกประการหนึ่ง เนื่องจากลวดบัดกรีโลหะผสมที่อุณหภูมิต่ำจะออกซิไดซ์เร็วขึ้นในอากาศโดยรอบเนื่องจากกิจกรรมพื้นผิวบิสมัทที่สูงขึ้นและพลังงานการยึดเกาะของฟิล์มออกไซด์ที่ลดลง ต้องใช้ไนโตรเจนในการไล่ออกในระหว่างการคลี่แกนม้วนออก การใช้ฟลักซ์ทันทีก่อนป้อน และการควบคุมความชื้นอย่างเข้มงวดที่ต่ำกว่า 30% RH ในตู้เก็บม้วนเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของฟลักซ์และการบัดกรีที่ก้อนในระหว่างการพิมพ์

ค่าการนำไฟฟ้าของลวดบัดกรีโลหะผสมอุณหภูมิต่ำตกลง 15–22% ต่ำกว่าเทียบเท่า Sn63Pb37 มาตรฐาน เนื่องจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนที่ขอบเขตเฟส Bi–Sn และลดเส้นทางอิสระเฉลี่ยในโครงสร้างจุลภาคที่แยกจากกัน ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับร่องรอยกระแสสูงที่ส่งผ่านมากกว่า 3A โดยไม่มีการชดเชยพื้นที่หน้าตัด และจำกัดการใช้งานในโมดูลพลังงานที่ความร้อนของจูลต้องคงต่ำกว่า 5°C/W จากจุดต่อไปยังสภาพแวดล้อม เพิ่มขึ้น

การทำให้หน้าต่างกระบวนการแคบลงเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อเปลี่ยนลวดบัดกรีโลหะผสมอุณหภูมิต่ำเป็นสายการผลิต SMT แบบเดิมที่เดิมปรับเทียบสำหรับโปรไฟล์สูงสุดที่ 220–250°C เนื่องจากอัตราการอุ่นทางลาดก่อนจะต้องชะลอลงเพื่อหลีกเลี่ยงการกระเซ็นของฟลักซ์จากการระเบิดของตัวทำละลายก่อนกำหนด ระยะเวลาในการแช่จะขยายออกไปเพื่อให้แน่ใจว่าอุณหภูมิแกนกลางจะสม่ำเสมอแม้จะมีการซึมผ่านของมวลความร้อนลดลง และอัตราการไหลของไนโตรเจนเพิ่มขึ้นอย่างน้อย 30% เพื่อระงับการเกิดออกซิเดชัน Bi ในระหว่างการเก็บรักษาสถานะหลอมเหลว

ความต้านทานแรงเฉือนของรอยต่อที่วัดได้ต่อ IPC-J-STD-002 ลดลงจาก 32 MPa ใน SAC305 เป็น 18–21 MPa ในลวดบัดกรี Sn42Bi58 หลังจากการบ่มโดยรอบเป็นเวลา 24 ชั่วโมง และลดลงต่อไปเป็น 12–14 MPa หลังจากการบ่มด้วยไอน้ำที่ 100°C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง ซึ่งยืนยันว่าการดูดซับความชื้นช่วยเร่งการสลายตัวแบบไฮโดรไลติกของตัวกระตุ้นที่ใช้ขัดสนและส่งเสริมการประสานระหว่างผิวหน้า การแยกชั้นที่ชั้นกั้น Ni(P) ใน ENIG เสร็จสิ้น

การตัดสินใจเปลี่ยนจะต้องชั่งน้ำหนักการแลกเปลี่ยนระหว่างส่วนต่างด้านความปลอดภัยจากความร้อนและความสามารถในการอยู่รอดทางกลในระยะยาว เนื่องจากการเลือกลวดบัดกรีโลหะผสมอุณหภูมิต่ำเพียงอย่างเดียวเพื่อปกป้อง MLCC หรือไดรเวอร์ OLED จะเพิกเฉยต่อการเกิดรอยเปราะที่ไม่สามารถเปลี่ยนกลับได้หลังจากการรีโฟลว์สามครั้ง ความเข้ากันไม่ได้กับอุปกรณ์บัดกรีแบบคลื่นที่ขาดการควบคุมอุณหภูมิในอ่างอาบน้ำที่อุณหภูมิ 138–145°C ที่แม่นยำ และการไม่สามารถรักษาโหลดแรงกระแทกทางกลที่เกิน 1500 กรัม โดยไม่มีการแตกหักจำนวนมากในสถานการณ์การทดสอบการตกหล่นของอุปกรณ์พกพา