Исследование низкотемпературных бессвинцовых сплавов олово‑висмут и олово‑висмут-серебро в паяльных пастах, используемых в производстве электроники

Введение

Бессвинцовые припои Sn3Ag0,5Cu широко используются для бессвинцовой пайки. В общем случае они подходят для большинства паяльных операций. Недостатком является высокая температура плавления этого сплава: при пайке максимальная температура термопрофиля должна быть от +235 до +260 °С. Для сборки температурно-чувствительных компонентов и плат следует рассмотреть бессвинцовые припои с более низкой температурой плавления в качестве альтернативы тугоплавким SnAgCu припоям, а также есть потребность в уравнивании температур при различных паяльных операциях на плате.

Основными припоями, которые могут быть использованы при низкотемпературных процессах, являются сплавы олово-висмут (Sn58Bi) и олово-висмут-серебро (Sn57–57,6Bi0,4–1Ag), с температурой плавления +138 °С, которые будут иметь максимальную температуру термопрофиля около +180 °С. При использовании низкотемпературных оловянно-висмутовых паяльных паст также снижается потребление энергии, если сравнивать их с паяльными пастами на основе Sn3Ag0,5Cu (рис. 1).

Рис. 1. Сравнение типичных термопрофилей для бессвинцовых сплавов SnBi и SnAgCu

Главным недостатком применения висмута в бессвинцовых припоях является количество висмута, доступное на мировом рынке. Существуют резервные мощности для производства 4 тыс. тонн висмута в год. Таким образом, для мирового рынка припоя в 180 000 т будет доступен бессвинцовый припой только с 2%-ным по весу содержанием висмута, как показано в таблице 1. Для нишевых приложений со специфическими низкотемпературными требованиями могут быть использованы припои Sn58Bi, и они уже применяются в производстве (например, ALPHA OM-520).

В рамках исследования использования бессвинцовых припоев на основе SnBi была проведена работа [1] по сопоставлению паяных соединений на основе Sn58Bi и Sn57Bi2Ag по сравнению с Sn37Pb. Было установлено, что стойкость к термоциклированию сплава Sn57Bi2Ag выше, чем у Sn37Pb, в то время как у Sn58Bi она оказалась ниже, чем у припоя Sn37Pb (при термоциклировании от –20 до +100 °С). Также в этом исследовании было выявлено, что при смешивании паяльной пасты Sn58Bi с SnPb покрытием выводов компонентов и контактов печатной платы формируется тройная фаза Bi30Pb18Sn с температурой плавления +96 °С, что вызывает снижение термоциклической надежности паяных соединений во время температурных циклов от 0 до +100 °C. Это обстоятельство приводит к выводу о том, что при работе с паяльными пастами на основе олова-висмута следует удалять свинец из покрытий компонентов и печатных плат.

Исходя из необходимости использования производителями более низкотемпературных бессвинцовых сплавов, был проведен анализ качества паяльных паст на основе припоев Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag, результаты которых описаны далее.

Эксперимент

В ходе исследования была проведена серия оценок бессвинцовых безгалогеновых безотмывочных паяльных паст. Во время тестов принималось во внимание следующее:

1. Печать пасты.
2. Оплавление/смачивание.
3. Дефект «голова на подушке».
4. Вывод в пасте.
5. Образование пустот.
6. Время жизни паяльной пасты.
7. Прочность паяного соединения.
8. Анализ поперечного среза паяного соединения.

Печать пасты

Исследование качества нанесения пасты проводилось с пастой А (Sn58Bi, тип 3) и пастой А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) на площадках QFP с шагом выводов 0,4 мм и BGA/CSP с шагом 0,3 мм. Всего было сделано более 200 отпечатков на тестовой плате для оценки пригодности паяльной пасты для печати. Дополнительно были проведены измерения вязкости паяльной пасты А (Sn58Bi, тип 3) после свыше 3000 непрерывных нанесений пасты с помощью ракеля, чтобы отметить любые изменения в вязкости пасты во время длительного процесса печати.

Паста А (Sn58Bi, тип 3) также оценивалась после 30-минутного отстаивания с трафаретом с последующей печатью на контакты QFP с шагом 0,4 мм и BGA/CSP с шагом 0,3 мм на той же печатной плате.

Оплавление/смачивание

Паста А (Sn58Bi, тип 3) анализировалась после оплавления на пластинах из различных металлов, включая медь, бронзу, сплав 42Н (Fe42Ni) и никель, для определения ее растекаемости. Паста А (Sn58Bi, тип 3) затем была использована для оценки паяемости чипа 0603 (0201) с покрытием чистым оловом и QFP-компонентов с шагом выводов 0,65 мм с покрытием чистым оловом на тестовой печатной плате (рис. 2).

Рис. 2. Тестовая плата, использованная в исследовании

Паста А (Sn57,4Bi0,4Ag, тип 4) также была протестирована на собранных платах с чип-компонентами 0603 (0201) с покрытием чистым оловом и QFP-компонентами с шагом выводов 0,65 мм, покрытых чистым оловом, с финишными покрытиями контактов печатной платы OSP, Sn и NiAu по сравнению с пастой В (Sn57,4Bi0,4Ag, тип 4). Образование шариков припоя пастой А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и пастой В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) оценивалось на чип-компонентах типоразмера 2125 (0805) с покрытием выводов чистым оловом, с финишными покрытиями контактов платы OSP, Sn и NiAu.

Оплавление во всех случаях проводилось в атмосфере воздуха с термопрофилем, который показан на рис. 3. Профиль имеет пиковую температуру +180 °С с временем выше +138 °С, равным 65 с, и временем выдержки между +120 и +130 °С, равным 110 с.

Рис. 3. Термопрофиль оплавления для сплавов Sn58Bi и SnBiAg

Тест «Голова на подушке»

В этом тесте проводилось сравнение пасты А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) с пастой В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и пастой С (Sn3Ag0,5Cu, тип 4). Шарик припоя (Sn3Ag0,5Cu) опускался в расплавленную паяльную пасту за различные интервалы времени, чтобы определить соединение паяльной пасты с шариком припоя (рис. 4). Температура платы с пастой для паст с висмутом была +200 °С, тогда как для пасты Sn3Ag0,5Cu температура была +275 °С.

Рис. 4. Процесс тестирования «голова на подушке»

Тест «Вывод в пасте»

Тест «Вывод в пасте» проводился с пастой А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3) и пастой В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3). Паста была нанесена в отверстия диаметром 0,6 мм на тестовой плате толщиной 1,6 мм с покрытием OSP. Латунные выводы диаметром 0,5 мм были вставлены в отверстия после трафаретной печати с последующим оплавлением в атмосфере воздуха с использованием профиля, показанного на рис. 3.

Исследование пустот

Исследование на наличие пустот в паяных соединениях проводилось на чип-компонентах типоразмера 6432 (2512) с покрытием чистым оловом, BGA-компоненте с шагом выводов 1 мм и припоем Sn3Ag0,5Cu и силовыми транзисторами в корпусе QFN с покрытием чистым оловом. Сравнивались паста А (Sn58Bi, тип 3) и паста С (Sn3Ag0,5Cu, тип 3) на тестовой плате с покрытием OSP в воздушной атмосфере. Термопрофиль для пасты Sn58Bi показан на рис. 3. Термопрофиль, использованный для пасты Sn3Ag0,5Cu, показан на рис. 1.

Далее было проведено исследование образования пустот с пастой А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и пастой В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) с использованием силового транзистора с покрытием чистым оловом, на платах с покрытиями OSP, Sn и NiAu. Пайка проводилась в воздушной атмосфере.

Это исследование было проведено, чтобы оценить влияние серебра на образование пустот при пайке бессвинцовым припоем на площадку с покрытием чистым оловом силового транзистора. Использовались паста А (Sn58Bi, тип 3), паста А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и паста А (Sn57Bi1Ag, тип 4). Пайка проводилась в воздушной атмосфере.

Время жизни паяльной пасты

После того как первоначальные исследования (нанесение, оплавление, «голова на подушке», вывод в пасте и наличие пустот) были проведены, исследования пасты А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3) были продолжены в течение пяти дней ее непрерывного использования. Это было сделано для того, чтобы понять, есть ли какие-то изменения в вязкости и тиксотропном индексе пасты. Оценивалось качество печати на компонентах BGA/CSP с шагом 0,3 мм и QFP с шагом 0,4 мм наряду с характером оплавления на компонентах 0603 с покрытием чистым оловом и на больших площадках для 6330 (2512) компонентов с OSP-покрытием на тестовой плате.

Кроме того, паста А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3) изучалась в течение пяти дней на предмет образования пустот при пайке силовых транзисторов, покрытых чистым оловом, при длительных процессах нанесения и оплавления в атмосфере воздуха с профилем оплавления, показанным на рис. 3.

Прочность на отрыв

После того как исследования нанесения и оплавления пасты были завершены, было проведено исследование усилия на отрыв различных припаянных чипов и выводных компонентов. Оборудование для тестирования чипов показано на рис. 5, а методология теста QFP компонентов приведена на рис. 6.

Рис. 5. Оборудование для тестирования прочности паяных соединений

Первичные тесты на отрыв были сделаны для QFP-компонентов (с покрытием чистым оловом, шаг 0,65 мм). А первичные тесты на сдвиг были сделаны для чипов 3216 (1206) с покрытиями Sn и NiAu, 2012 (0805) с покрытием Sn и 1608 (0603) c покрытием Sn, припаянных пастой А (Sn58Bi), С (Sn3Ag0,5Cu) и D (Sn37Pb).

Рис. 6. Методика тестирования на отрыв для QFP-компонента

Последующие исследования на отрыв были сделаны для QFP-компонентов с покрытием чистым оловом и шагом выводов 0,65 мм, а на сдвиг — для чип-компонентов 3216 (1206) и 2012 (0805) с пастами А (Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag, Sn57Bi1Ag). Эти исследования были нужны для того, чтобы понять влияние содержания серебра в бессвинцовом SnBi припое. 

Анализ микрошлифов

Микрошлифы были выполнены для чип-компонентов 3216 (1206), припаянных с помощью паст А (Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag).

Результаты

Нанесение пасты

Продолжительные тесты для пасты А (Sn58Bi, тип 3) и пасты А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) на площадках 0,4 мм для QFP и 0,3 мм для BGA после более 200 проходов показали хорошие результаты в плане осаждения паяльной пасты на контактных площадках (рис. 7 и 8).

Рис. 7. Результаты осаждения пасты при непрерывной печати пастой Sn58Bi (тип 3) на площадки QFP с шагом 0,4 мм и BGA с шагом 0,3 мм

Рис. 8. Результаты осаждения пасты при непрерывной печати пастой Sn57,6Bi0,4Ag (тип 4) на площадки:
а) QFP с шагом 0,4 мм и BGA с шагом 0,3 мм;
б) BGA с шагом 0,3 мм

Изменение вязкости для пасты А (Sn58Bi, тип 3) было минимальным после более чем 3000 проходов (рис. 9).

Рис. 9. Изменение вязкости при непрерывной печати пастой Sn58Bi (тип 3)

Были получены хорошие результаты для пасты А (Sn58Bi, тип 3) при нанесении ее (после 30-минутного отстаивания на трафарете) на площадки QFP шагом 0,4 мм и BGA/CSP шагом 0,3 мм (рис. 10).

Рис. 10. Результаты осаждения пасты Sn58Bi (тип 3) после 30-минутного интервала отстаивания на трафарете на площадки QFP с шагом 0,4 мм и BGA с шагом 0,3 мм

Оплавление/смачивание

Паста А (Sn58Bi, тип 3) оценивалась на растекаемость после оплавления на различных образцах материалов, включая медь, латунь, сплав 42Н и никель (рис. 11). Для медного и латунного образца смачивание было больше области, куда была нанесена паста, что является хорошим результатом. Также было отмечено частичное смачивание на сплаве 42Н и никеле при оплавлении, хотя ожидалось, что эти материалы трудно паять. Оплавление было проведено в воздушной атмосфере по термопрофилю, приведенному на рис. 3.

Рис. 11. Смачивание пастой Sn58Bi (тип 3) тестовых образцов из меди, латуни, никеля и сплава 42H

Затем посредством пасты А (Sn58Bi, тип 3) на тестовую плату были припаяны чипы 0603 (0201) и QFP-компоненты с шагом выводов 0,65 мм. Была отмечена хорошая смачиваемость компонентов в начальный момент времени и спустя 8 ч прокатывания паяльной пасты по трафарету перед нанесением ее на тестовую плату с последующим оплавлением, как показано на рис. 12.

Рис. 12. Смачивание пастой Sn58Bi компонентов 0603 и QFP с шагом 0,65 мм в начальный момент времени и спустя 8 ч после нанесения

Паста А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и паста В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) использовались для монтажа чип-компонентов типоразмера 0603 (0201) на платы с покрытиями OSP, Sn и NiAu. Результаты (рис. 13) показывают хорошее смачивание для чип-компонентов и достаточное смачивание выводов QFP-микросхем для обеих паст.

Рис. 13. Смачивание пастами А и В (Sn57,6Bi0,4Ag):
а) чип-компонентов 0603;
б) QFP-компонентов с шагом 0,65 мм

Была проведена оценка образования капель припоя при монтаже чип-компонентов 2125 (0805) с покрытием чистым оловом на платы с покрытиями площадок OSP, Sn и NiAu. Сравнивались паста А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и паста В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4). При использовании пасты А было получено меньшее количество капель припоя (рис. 14).

Рис. 14. Образование капель припоя пастами А и В (Sn57,6Bi0,4Ag) на компонентах 2125 (0805) с покрытием Sn

Тест «голова на подушке»

Этот тест проводился для паяльных паст А (Sn57,6Bi0,4Ag), В (Sn57,6Bi0,4Ag) и С (Sn3Ag0,5Cu) с использованием шариков припоя Sn3Ag0,5Cu. Две бессвинцовых пасты Sn57,6Bi0,4Ag показали полное слияние с шариком припоя после 180 с. Для пасты Sn3Ag0,5Cu было зарегистрировано другое время — 60 с (рис. 15). Более низкая температура оплавления паяльных паст с содержанием висмута по сравнению с пастой Sn3Ag0,5Cu означает, что флюс в составе SnBi паст не был полностью использован для повышения показаний в этом тесте.

Рис. 15. Результаты теста «голова на подушке» для паст А (SnBi0,4Ag), В (SnBi0,4Ag) и С (Sn3Ag0,5Cu)

Вывод в пасте

Тест «вывод в пасте» проводился с пастой А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3) и пастой В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3). Паста А показала лучшие результаты смачивания при оплавлении по сравнению с пастой В (рис. 16).

Рис. 16. Результаты теста «вывод в пасте» для паст А и В (SnBi0.4Ag)

Исследование пустот

Это исследование проводилось на чип-компонентах 6432 (2512) с покрытием выводов чистым оловом, чипе BGA с шариками Sn3Ag0,5Cu с шагом 1 мм и силовых транзисторах с покрытием выводов чистым оловом. Сравнивались паста А (Sn58Bi, тип 3) и паста С (Sn3Ag0,5Cu, тип 3). Паста А показала в среднем более низкое количество пустот (рис. 17). Поверхностное натяжение сплава Sn58Bi при пайке ниже, чем у Sn3Ag0,5Cu, что обуславливает более легкий выход пустот в процессе оплавления.

Рис. 17. Образование пустот пастами А (Sn58Bi) и С (Sn3Ag0,Cu) при пайке чип-компонентов 6432, BGA и силовых транзисторов

Далее было проведено сравнение количества пустот при пайке силовых транзисторов на платы с покрытиями OSP, Sn и NiAu пастами А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4) и В (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4). При использовании пасты А было образовано минимальное количество пустот на всех трех покрытиях (рис. 18).

Рис. 18. Образование пустот пастами А (Sn57,6Bi0,4Ag) и В (Sn57,6Bi0,4Ag) при пайке силовых транзисторов на платы с различным покрытием площадок

Последующие исследования были проведены с целью оценки влияния добавки серебра в оловянно-висмутовый припой на образование пустот. Силовые транзисторы QFN были смонтированы пастами А: Sn58Bi, тип 3; Sn57,6Bi0,4Ag, тип 4; Sn57Bi1Ag, тип 4. Не было отмечено никакой значимой разницы между этими тремя составами (рис. 19). Это говорит о том, что образование пустот больше зависит от типа флюса, чем от содержания серебра в паяльной пасте.

Рис. 19. Оценка влияния добавок серебра в сплав на образование пустот

Долговечность паяльной пасты

Исследования проводились в течение пяти дней непрерывного использования пасты А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3). Это было сделано для того, чтобы понять, происходят ли какие-то изменения в ее вязкости или тиксотропном индексе. На основании результатов теста (рис. 20) можно отметить минимальное изменение вязкости или тиксотропного индекса в пасте за этот период времени.

Рис. 20. Оценка изменения вязкости и тиксотропного индекса для пасты А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3) в течение 5 дней непрерывной печати

За пять дней исследований качество печати паяльной пасты для BGA-компонентов с шагом 0,3 мм и QFP с шагом 0,4 мм было проверено и признано хорошим наряду с пайкой чип-компонентов 0603 и больших 6330 (2512) контактных площадок на плате (рис. 21).

Рис. 21. Сравнение результатов нанесения и оплавления пасты А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3) в течение 5 дней тестирования

Отмечено низкое образование пустот при монтаже силовых транзисторов в процессе длительных испытаний в течение пяти дней (рис. 22).

Рис. 22. Сравнение количества пустот, образовавшихся при пайке силовых транзисторов пастой А (Sn57,6Bi0,4Ag, тип 3)

Усилие на отрыв

Первичные исследования на прочность паяных соединений (рис. 23) были проведены для QFP-компонентов с шагом 0,65 мм, чип-компонентов типоразмеров 3216 (1206), 2012 (0805) и 1608 (0603), припаянных пастами А (Sn58Bi), С (Sn3Ag0,5Cu) и D (Sn37Pb). Результаты показывают, что прочность галтели припоя Sn58Bi была эквивалентна такому же показателю у припоев Sn3Ag0,5Cu и Sn37Pb или лучше, чем у них.

Рис. 23. Результаты тестирования прочности паяных соединений на отрыв для QFP и чип-компонентов, смонтированных пастами Sn58Bi, Sn3Ag0,5Cu и Sn37Pb

Цель проведенных дополнительных исследований — определить влияние добавки серебра на прочность паяного соединения. Результаты тестов на отрыв QFP-компонента с шагом 0,65 мм и тестирования на сдвиг чип-компонентов 3216 (1206) и 2012 (0805), припаянных с помощью паст А (Sn58Bi; Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag) приведены в таблицах 2 и 3. Результаты показывают минимальные различия в обоих тестах между этими пастами.

Анализ микрошлифов

Анализ внутренней микроструктуры был выполнен для чип-компонентов 3216 (1206), припаянных пастами А (Sn58Bi; Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag). Результаты демонстрируют хорошее смачивание как чип-компонентов, так и печатной платы для всех трех типов паяльной пасты (рис. 24).

Рис. 24. Микрошлифы паяных соединений чип-компонентов 3216 (1206), смонтированных пастами Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag

Микроструктуры, которые приведены на рис. 25, показывают фазы олова и висмута в сплаве с некоторыми включениями интерметаллида Cu₆Sn₅ в толще галтели с хорошей пайкой к плате и выводам компонентов.

Рис. 25. Микроструктура паяного соединения для пасты:
а) Sn58Bi;
б) Sn57,6Bi0,4Ag;
в) Sn57Bi1Ag

Заключение

На основании тестов, проведенных в ходе исследования, были сделаны следующие выводы:

1. Паяльные пасты на основе сплавов Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag показали хорошие результаты при нанесении и оплавлении при монтаже компонентов различного типа.
2. Оловянно-висмутовые припои продемонстрировали хорошие результаты в тесте «голова на подушке» и приемлемые результаты в тесте «вывод в пасте».
3. При изучении образования пустот при монтаже силовых транзисторных компонентов было выявлено незначительное образование пустот оловянно-висмутовыми пастами и малое влияние на количество пустот добавок серебра в припой.
4. При определении времени жизни пасты была отмечена ее долговечность при непрерывном тестировании печати и оплавления в течение пяти дней исследований оловянно-висмутовых паст.
5. Результаты тестов на отрыв и сдвиг для оловянно-висмутовых паст были эквивалентны или лучше, чем для паст Sn3Ag0,5Cu и Sn37Pb.
6. Различия в результатах тестов на сдвиг и отрыв для паст Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag были минимальны.
7. Анализ микроструктуры паяного соединения с пастами Sn58Bi, Sn57,6Bi0,4Ag и Sn57Bi1Ag показал хорошую связь этих паст с платой и выводом компонента.

В следующих статьях будут описаны дальнейшие исследования бессвинцовых оловянно-висмутовых паяльных паст. Эти исследования будут направлены на то, чтобы улучшить качество печати и оплавления припоя, а также оценить надежность паяных соединений.