Технологии в электронной промышленности №3'2010

Экспериментальная поддержка бессвинцового сплава для высоконадежных приложений

Гектор Стин (Hector Steen)

Прошел уже год с момента опубликования сообщения о разработке инновационного бессвинцового припоя для автомобильных приложений, отвечающего требованиям высоких температур и высокой надежности. [1]. С тех пор появились дополнительные результаты испытаний этого сплава под названием Innolot, подтвердившие его прочность и надежность для приложений в условиях высокой температуры.

Основные используемые в настоящее время припои не соответствуют требованиям высоких рабочих температур, характерных для устройств, располагаемых в подкапотном пространстве автомобилей. Традиционные оловянно-свинцовые припои имеют для данных приложений слишком низкую точку плавления, а ограничения на их использование все возрастают. И хотя сплавы с поверхностно-активными составами (SAC-сплавы) имеют более высокие точки плавления, их надежность в высокотемпературной среде оказалась даже ниже, чем у традиционных оловянно-свинцовых сплавов. Эти соображения привели к разработке сплава Innolot. В статье рассматривается краткая история работы над его составом. Даже несмотря на многообещающие первоначальные результаты, фирмам-производителям потребовались дополнительные данные для полной уверенности в жизнеспособности сплава Innolot. В статье также представлены некоторые новые результаты и даются дополнительные доказательства отличных рабочих характеристик нового сплава.

История возникновения сплава Innolot и процесс его разработки

В процессе разработки сплава Innolot работа команды исследователей была направлена на достижение следующих целей [1]:

  • Материал, не содержащий свинец.
  • Эффективное применение при рабочей температуре до 150 °C.
  • Сварные соединения, выдерживающие 1000 циклов при температуре от -55 до +150 °C.
  • Оплавление при 230 °C или ниже.
  • Соответствие Директиве ЕС по ограничению опасных веществ и поддержание конкурентной цены.

Для достижения этих целей был использован инновационный многоэлементный подход, который привел к успешной разработке бессвинцового сплава, подходящего для высокотемпературных условий при оплавлении при температурах, характерных для обычных сплавов с поверхностно-активными компонентами. Сплав Innolot предназначен, в частности, для удовлетворения конкретных требований автомобилестроения, но сфера его применения может быть гораздо шире.

Вслед за разработкой первоначальной рецептуры был выполнен дополнительный анализ сплава Innolot для более полного понимания его возможностей и ограничений.

Дальнейший анализ

Хотя на первоначальном этапе разработки рецептуры сплава Innolot и были выполнены некоторые стандартные испытания, впоследствии была проведена его более обширная оценка. Она включала в себя ударные тепловые нагрузки, вибрационные испытания, динамические испытания, влияние старения и испытания пластичности в рамках Германского кооперационного проекта под названием LIVE. Кроме того, динамические испытания позволили дать ответ на конкретные вопросы некоторых фирм-производителей, которые обсуждаются далее в этой статье.

Ударная теплoвая нагрузка и усилие oтталкивания

Результаты дальнейшего изучения тепловых ударов в более широком диапазоне испытательных условий были представлены на заключительном семинаре проекта LIVE, состоявшемся в Берлине 7 октября 2008 года [2]. Хотя на этапе первоначальной разработки и проводились некоторые испытания с воздействием теплового удара, во время недавних экспериментов оценивалось влияние тепловой нагрузки в четырех различных диапазонах температур от 80 до 190 °C при длительности такой нагрузки 30 минут. Количество циклов, необходимых для 50%-ного уменьшения прочности соединения в зависимости от диапазона температурных циклов, показано на рис. 1: ясно, что в этих условиях сплав Innolot существенно превосходит традиционные SAC- и SnPb-сплавы [2].

Рабочие характеристики сплава Innolot при тепловом ударе

Рис. 1. Рабочие характеристики сплава Innolot при тепловом ударе

При том же диапазоне температур, что использовался и при оценке на этапе первоначальной разработки, в рамках проекта LIVE были проведены дополнительные испытания в условиях теплового удара и отталкивания с анализом большего числа сравниваемых сплавов и при существенно большем количестве циклов тепловой нагрузки [3]. Испытания также включали в себя два различных способа финиширования печатных плат - Immersion Sn и Au/Ni. И вновь сплав Innolot продемонстрировал заметно лучшие результаты, чем все другие подвергшиеся испытаниям сплавы (рис. 2) [3].

Рабочие характеристики припойного сплава на компонентах 1206 на печатных платах с финишными покрытиями Immersion Sn и Au/Ni при тепловом ударе -40...+125 °C

Рис. 2. Рабочие характеристики припойного сплава на компонентах 1206 на печатных платах с финишными покрытиями Immersion Sn и Au/Ni при тепловом ударе -40...+125 °C

Длина трещины является альтернативой прочности соединения в качестве меры деградации паяного соединения при усталости и используется в некоторых методиках моделирования надежности. Этот параметр использовался и в работе по проекту LIVE [3]. На рис. 3 показаны результаты, доказывающие превосходство рабочих характеристик сплава Innolot по сравнению с обычными сплавами с поверхностно-активными составами [3].

Длина трещины (% от соединения) на различных компонентах, смонтированных на печатных платах с финишными покрытиями Immersion Sn и Au/Ni, при циклах тепловых ударов в диапазоне -40...+125 °C

Рис. 3. Длина трещины (% от соединения) на различных компонентах, смонтированных на печатных платах с финишными покрытиями Immersion Sn и Au/Ni, при циклах тепловых ударов в диапазоне -40...+125 °C

Вибрациoнные испытания

Первоначальные вибрационные испытания, реализованные как часть программы по разработке состава сплава Innolot, показали, что рабочие характеристики этого сплава под действием вибрации аналогичны характеристикам сплава SAC387. А если добавить еще 500 предваряющих циклов ударной тепловой нагрузки, то Innolot превосходит SAC-сплавы.

Одна из фундаментальных диссертационных работ, спонсированных автомобилестроительной компанией, была посвящена исследованию влияния вибрации на надежность паяных соединений при сравнении рабочих характеристик сплава Innolot с характеристиками сплавов SAC, SnCu и SnPb на высокочастотном усталостном испытательном стенде. Результаты (рис. 4) четко показали, что вибрационная надежность сплава Innolot сравнима с надежностью традиционного припоя SnPb и превосходит надежность других бессвинцовых припоев [4].

Оценка рабочих характеристик при динамических испытаниях в зависимости от времени старения

Рис. 5. Оценка рабочих характеристик при динамических испытаниях в зависимости от времени старения

Динамические испытания

Поскольку сплав Innolot предназначен для приложений, в которых механический удар (динамический удар) не является существенным фактором (так как он рассчитан для портативных устройств), то динамические испытания не были включены в процесс первоначальной разработки. Однако поскольку данный сплав значительно менее пластичен, чем сплавы SnPb и SAC, то возникла обеспокоенность по поводу его динамических характеристик, и, как следствие, затем были проведены такие динамические испытания. Два типа печатных плат (одна с финишным покрытием органическим паяльным консервантом (OSP) и другая - с покрытием NiAu) были подвергнуты падению через цилиндр высотой 1,5 м на стальную наковальню. Печатные платы содержали целый ряд компонентов BGA; обе платы были оплавлены обычной паяльной SAC-пастой и паяльной пастой Innolot. Было проведено сравнение действия динамических нагрузок и установлено, что характеристики сплава Innolot сопоставимы с характеристиками сплава SAC, а в некоторых случаях немного превосходили их.

Динамические испытания в зависимости от времени старения были проведены в рамках проекта LIVE, где собранные печатные платы помещались в печь при 150 °C на время до 500 часов [5]. На рис. 5 показаны рабочие характеристики сплава в сравнении с SAC-сплавом, а конкретно - со сплавом SAC305 [5].

Результаты дополнительных вибрационных испытаний сплава Innolot

Рис. 4. Результаты дополнительных вибрационных испытаний сплава Innolot

Выводы

Вслед за испытаниями надежности, выполненными на этапе разработки, инновационный бессвинцовый сплав Innolot был подвергнут дополнительным исследованиям с целью лучшего понимания его рабочих характеристик. Результаты свидетельствуют о том, что сплав Innolot обладает существенными преимуществами по сравнению с SAC-сплавами и другими бессвинцовыми припоями по надежности при циклической тепловой нагрузке и тепловых ударах. Кроме того, сплав показал хорошие рабочие характеристики при вибрационных испытаниях и надежность при динамических испытаниях, аналогичную надежности SAC-сплавов и других бессвинцовых сплавов.

Новый бессвинцовый сплав Innolot дает производителям возможность производить высоконадежные продукты при высоких рабочих температурах, которые можно уверенно внедрять в такие производственные среды. Наполнитель флюса в паяльной пасте Innolot можно подобрать в зависимости от конкретного приложения и используемого процесса оплавления. Если припойный сплав является критичным для свойств соединения после оплавления, то характеристики пасты определяют, насколько удачно сплав Innolot может быть внедрен в сборочный процесс.

Автор выражает благодарность за ценные данные, полученные на заключительном семинаре Германского нроекта LIVE "Характеристики материалов нри пайке в микронном диапазоне" (Верлин, октябрь 2008).

Литература

1. Steen H., Toleno B. Development of a Lead-free Alloy for High-Reliability, High-Temperature Applications // SMT magazine online. January 2009.

2. Ratchev R. Presentation in LIVE Project Seminar. Berlin. October 2008.

3. Albrecht J. Presentation in LIVE Project Seminar. Berlin. October 2008.

4. Barry N. Lead-free Solders for High-Reliability Applications: High-cycle Fatigue Studies // Thesis, Metallurgy and Materials Department. University of Birmingham. October 2008.

5. Fruhauf P. Presentation in LIVE Project Seminar. Berlin. October 2008.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Оплата картой на сайте
Прием платежей для сторонних сайтов
payonline.ru
Реклама в подъездах
Система рекламы в блогах
litebox.uz
Дизайн интерьера квартиры
Лояльные цены. Архитектура, интерьеры, WEB, графика, промышленный дизайн
domoversion.ru