Бессвинцовые припои существуют с тех пор, как люди занимаются пайкой, и их появление датируются источниками примерно 5000 летней давности. Эти сплавы представляли собой комбинации CuAg или AgAu и применялись при так называемой твердой пайке. Этот метод до сих пор используется для работы с драгоценными и полудрагоценными металлами. Поздней разработкой является «мягкая пайка», требующая более низкой температуры.
Начнем с основ.
На ранних этапах работы использовалось чистое олово (Sn), но со временем стали искать аналоги, которые решали бы такие проблемы, как термоциклирование, ударопрочность, миграция электронов и образование нитевидных кристаллов в сплавах на основе олова. В то время как свинец (Pb) решал эти проблемы в большинстве случаев, постепенный отказ от него в продуктах, а также новые требования к компонентам с более мелким шагом потребовали разработки аналогов, которые могут эффективно заменить свинец.
Есть веская причина, по которой Sn так часто встречается в мягких припоях: оно плавится при 232 ° C и обладает хорошими смачивающими свойствами (текучесть по контактной площадке) в дополнение к его способности хорошо соединяться с большинством металлов. Последнее свойство имеет решающее значение для создания хорошего интерметаллического соединения (ИМС). Качество границ ИМС определяет, насколько прочным оно будет. И степень детализации, и количество (и размер) любых пустот в ИМС будут влиять на долговечность.
Два наиболее часто встречающиеся типа бессвинцового припоя – это SnAgCu (также называемое SAC) и SnCu. SnAgCu с 3% серебра и 0,5% меди (SAC305) изначально был одобрен для сборки SMT вместе с рядом других SAC, например, SAC387 (3,8% Ag) и SAC405 (4% Ag). Они способны полностью переходить из твердого состояния в жидкое при 217 ° C. SAC305 же, напротив, имеет диапазон 217–219 ° C.
Хотя SAC – приемлемый вариант, серебро увеличивает его стоимость. Это побудило промышленность использовать альтернативы такие как SAC0307 или SnCuNi.
Ключ к надежному стыку кроется в качестве ИМС. Оно должно быть не слишком толстым или слишком зернистым, с отсутствием пустот, так как будет подвержено различным видам нагрузок и повреждений:
- термоциклирование
- тепловой удар
- падение
- вибрация
- электромиграция
Из них первый и второй пункты связаны между собой, поскольку оба они вызваны температурой окружающей среды. Поскольку на соединение действует изменение окружающей температуры, его отдельные компоненты будут подвергаться тепловому расширению, которое, вероятно, будет неодинаковым для разных материалов. Затем прочность на разрыв определяет, в какой момент результирующая деформация вызовет трещины.
Обычно при термоциклировании область соединения рекристаллизуется, что вызывает шероховатость и способствует образованию дефектов. Исследования показали, что наночастицы La2O3 улучшает термическую надежность, в основном за счет ингибирования роста области сустава. Альтернативы с серебром также демонстрируют лучшую термическую надежность. Добавление 0,1% алюминия (Al) к сплавам с низким содержанием серебра вызвало такой эффект, как и Ni, Mn и Bi к SnAgCu.
Падение и вибрация аналогично связаны, поскольку применяется некоторый тип механической деформации.
Электромиграция наиболее коварна, так как не требует никаких внешних воздействий. Ее конечный эффект – перенос материала внутри сустава соединения, вызванный перемещением ионов, поскольку импульс передается электронам и диффундирующим атомам металла. Ток внутри между анодом и катодом приводит к появлению полостей. Со временем эти пустоты становятся настолько большими, что приводит к появлению трещин, пока в конечном итоге стык не разрушится.
