Выпуск #6/2012
В.Ланин, Э.Шпилевский, В.Хотькин
Модификация структуры бессвинцовых припоев Повышает качество паяных соединений
Модификация структуры бессвинцовых припоев Повышает качество паяных соединений
Просмотры: 1778
Применение бессвинцовых припоев при монтаже электронных модулей затрудняет получение высокой надежности паяных соединений при вибрационных и механических нагрузках вследствие образования интерметаллидных соединений на межфазных границах. Повышение однородности структуры припоев, увеличение механической прочности соединений при снижении оптимальной температуры пайки может быть достигнуто ультразвуковой обработкой расплавов или введением в их состав микрочастиц графена.
Проблемы бессвинцовой пайки электронных компонентов
В процессе эксплуатации электронные приборы подвергаются механическим ударным воздействиям, длительным вибрациям и термическому циклированию, что приводит к деградации паяных соединений [1].
Замена свинецсодержащих припоев бессвинцовыми вызвала ряд проблем в области металловедения припоев. Эвтектические сплавы типа Sn-Ag-Cu (SAC) получили широкое применение несмотря на более высокую стоимость (в три раза выше стоимости ПОС 61) вследствие простоты применения и невысокой ползучести. Однако надежность и механические свойства паяных соединений значительно зависят от микроструктуры литого припоя, морфологии и толщины интерметаллических соединений на межфазной границе. Основное негативное воздействие на усталостные процессы, образование трещин и их распространение на межфазной границе Ag3Sn/припой оказывают пластинчатые интерметаллиды Ag3Sn (рис.1) [2].
Применение ультразвуковых колебаний при кристаллизации припоя позволяет в определенной степени решить эти проблемы. Эффект воздействия кавитации и микропотоков на жидкие металлы проявляется в ускорении первичного образования ядер, инициировании зародышеобразования центров кристаллизации вследствие физического перемешивания и ускорения диффузии [3]. В результате модификации сплавов зернистость уменьшается, улучшаются однородность структуры [4] и смачивающая способность, повышаются механические свойства паяных соединений [5]. После УЗ-обработки (240 с, мощность от 5 до 92 Вт, частота 40 кГц) толщина интерметаллического слоя Cu6Sn5 на границе Cu/SAC уменьшилась на 76% и не превышала 2 мкм, ширина β-Sn дендритов – на 67%, а интерметаллид Ag3Sn не образовывался. Микротвердость сплава увеличилась на 57% и составила 27 единиц по Виккерсу [2].
Таким образом, процесс УЗ-модификации структуры припоев при их кристаллизации может значительно улучшить свойства паяных соединений.
Модификация структуры бессвинцовых припоев
Углеродные наночастицы, входящие в состав композиционных материалов, обладают особенными механическими свойствами: их прочность в 100 раз превышает прочность стали, а плотность – в шесть раз меньше. Электрические свойства нанотрубок могут изменяться на пять порядков (т.е. от свойств металлических материалов до полупроводниковых) без введения дополнительной примеси, поэтому они представляют собой уникальный компонент для создания композиционных материалов. Структура композиционных материалов, содержащих в качестве дисперсной фазы углеродные наночастицы размером 6–10 нм, – мелкокристаллическая. Она обеспечивает высокие механические свойства и низкое стабильное электрическое сопротивление. При включении частиц в металлическую матрицу износостойкость покрытий улучшается [6].
Для модификации структуры бессвинцовых припоев применен графен (рис.2). Это двумерный кристалл, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку, он обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает графен перспективным материалом для использования в самых различных приложениях.
Теоретически и экспериментально доказано, что температура плавления чистых металлов и сплавов зависит от их структуры и размеров частиц. Модификация структуры припоя Sn–0,4Co–0,7Cu в виде наночастиц размером 10–50 нм позволила уменьшить температуру плавления на 5°С [7]. Температура плавления может быть ориентировочно определена по следующей формуле:
,
где ТПЛ (r) – температура плавления сплава с наночастицами; ТПЛ – температура плавления исходного состава; δНПЛ – скрытая теплота плавления сплава; ρТ, ρЖ – плотность твердой и жидкой фаз сплава; σЖГ, σтГ – поверхностное натяжение на границах жидкость–газ и твердое тело–газ; r – радиус наночастицы. Вычисленная по уравнению зависимость температуры сплава от радиуса наночастиц приведена на рис.3.
Модификация структуры бессвинцовых припоев Sn–3Ag–0,5Cu и Sn–0,7Cu осуществлялась при воздействии УЗ-колебаний в течение 3–5 мин на частоте 44 кГц и введении микрочастиц графена при инфракрасном нагреве слитка до температур, на 40–50°С превышающих температуру плавления припоев на установке (рис.4). Микротвердость модифицированных припоев измерялась по методу Кнупа на установке Leica VMHT Mot при нагрузке 100 г, прочность паяных соединений – на разрывной машине РП–100 при скорости нагружения 1,5 кН/мин.
Структура оловянно-свинцовых, бессвинцовых и модифицированных УЗ-обработкой и введением графена припоев и температура их плавления приведены в таблице.
После УЗ-обработки микротвердость припоев возросла в среднем в 1,2–1,3 раза и при введении в структуру припоев наночастиц графена – в 1,4–1,5 раза.
В результате исследований установлено, что максимальная прочность паяных соединений стандартным припоем ПОС-61 (30–35 МПа) достигнута в интервале температур 260–280˚С (рис.5). При обработке ультразвуком максимальная прочность достигается при температуре на 10–15˚С ниже, чем у исходного ПОС-61, и составляет 35–38 МПа. При введении в состав припоя графена максимальная прочность (40–42 МПа)была получена при температуре 215–235˚С.
Для паяных соединений припоем Sn–3Ag–0,5Cu максимальная прочность 32–37 МПа достигается в интервале температур 270–285˚С. При введении в состав припоя графена максимальная прочность 35–37 МПа достигается в диапазоне температур 255–275˚С (см. рис.5).
Для бессвинцового припоя Sn–0,7Cu максимальная прочность 28–32 МПа достигнута в интервале температур 280–290˚С. С введение графена в состав припоя оптимальный интервал температур снижается до 260–270˚С, при этом прочность соединений составляет 33–35 МПа. Фотографии микроструктуры исходных и модифицированных составов припоев приведены на рис.6.
* * *
Применение УЗ-колебаний при кристаллизации припоя ускоряет образование центров кристаллизации вследствие физического перемешивания расплава и ускорения диффузии. Это в свою очередь приводит к измельчению зерна и улучшению однородности структуры припоев. Результаты испытаний показали, что микротвердость припоев возрастает в 1,2–1,4 раза как после УЗ-обработки, так и при введении в структуру припоев наночастиц графена. Прочность паяных соединений увеличилась только на 6–8%, однако максимальная прочность паяных соединений была достигнута при более низких (на 15–20˚С) температурах пайки. Это позволяет повысить производительность процессов монтажной пайки и снизить температурное воздействие на электронные компоненты.
Литература
Lead-Free Soldering in Electronics./Ed. by K.Suganuma. – N.Y.: Marcel Dekker, 2004.
Chinnam R.K. et.all. Evolution of microstructure of Sn-Ag-Cu solder joints exposed to ultrasonic waves during solidification. – Acta Materialia, 2011, №59, р.1474–1481.
Абрамов О.В. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы. – М.: Наука, 2000.
Belyakov S.A. Ultrasonic Modification of Sn-Ag-Cu Alloy Microstructure // 9 Inter. Workshop and Tutorials, EDM’2008, 1–5 July. Erlagol., р.58–59.
Ланин В.Л., Достанко А.П., Телеш Е.В. Формирование токопроводящих контактных соединений в изделиях электроники. – Минск: Издательский Центр БГУ, 2007.
Хмыль А.А., Ланин В.Л., Шпилевский Э.М. Композиционные материалы на основе проводящих металлов и углеродных кластеров для подвижных электрических контактов. – Вестник Полоцкого гос. университета, 2006, сер. С, №4, с.74–79.
Zan C.D. et.all. Melting Tempereture Depression of Sn-0,4Co-0,7Cu Lead-free Solder Nanoparticles. – Soldering @ Surface Mount Technology, 2009, №21/2, р.9–13.
Рис.1. Пластинчатые интерметаллиды Ag3Sn на межфазной границе (оптический микроскоп)
Рис.2. РЭМ-фотография структуры графена
Рис.3. Зависимость температуры плавления сплава от радиуса наночастиц: 1 –исходный сплав; 2 –сплав с наночастицами
Рис.4. УЗ-установка модификации структуры припоев
Температура плавления припоев различного состава
Марка припоя
Состав, %
Темп. плавления, °С
Применение
ПОС 61
Олово 59-61
Сурьма до 0,8
Свинец 38–40
183
Пайка поверхностного-монтажа электронных модулей
Sn–3Ag–0,5Cu (SAC)
Олово 95,3
Серебро 3,0
Медь 0,5
217
Sn–0,7Cu
Олово 99,3
Медь 0,7
230
SAC+графен
(УЗ-обработка)
Олово 95,3
Серебро 3,0
Медь 0,5
Графен 0,1–0,5
210
Модифицированные составы
припоев
Sn–0,7Cu
+ графен
(УЗ-обработка)
Олово 99,3
Медь 0,7
Графен 0,1–0,5
215
Рис.5. Зависимости прочности паяных соединений от температуры для припоев: Sn–3Ag–0,5Cu (1 – с графеном; 2 – без графена) и Sn–0,7Cu (3 – с графеном; 4 – без графена)
Рис.6. Микроструктура припоев (х120): а – Sn–3Ag–0,5Cu; б – Sn–0,7Cu; после УЗ-обработки с добавлением графена; в – Sn–3Ag–0,5Cu; г – Sn–0,7Cu
a)
в)
б)
г)
В процессе эксплуатации электронные приборы подвергаются механическим ударным воздействиям, длительным вибрациям и термическому циклированию, что приводит к деградации паяных соединений [1].
Замена свинецсодержащих припоев бессвинцовыми вызвала ряд проблем в области металловедения припоев. Эвтектические сплавы типа Sn-Ag-Cu (SAC) получили широкое применение несмотря на более высокую стоимость (в три раза выше стоимости ПОС 61) вследствие простоты применения и невысокой ползучести. Однако надежность и механические свойства паяных соединений значительно зависят от микроструктуры литого припоя, морфологии и толщины интерметаллических соединений на межфазной границе. Основное негативное воздействие на усталостные процессы, образование трещин и их распространение на межфазной границе Ag3Sn/припой оказывают пластинчатые интерметаллиды Ag3Sn (рис.1) [2].
Применение ультразвуковых колебаний при кристаллизации припоя позволяет в определенной степени решить эти проблемы. Эффект воздействия кавитации и микропотоков на жидкие металлы проявляется в ускорении первичного образования ядер, инициировании зародышеобразования центров кристаллизации вследствие физического перемешивания и ускорения диффузии [3]. В результате модификации сплавов зернистость уменьшается, улучшаются однородность структуры [4] и смачивающая способность, повышаются механические свойства паяных соединений [5]. После УЗ-обработки (240 с, мощность от 5 до 92 Вт, частота 40 кГц) толщина интерметаллического слоя Cu6Sn5 на границе Cu/SAC уменьшилась на 76% и не превышала 2 мкм, ширина β-Sn дендритов – на 67%, а интерметаллид Ag3Sn не образовывался. Микротвердость сплава увеличилась на 57% и составила 27 единиц по Виккерсу [2].
Таким образом, процесс УЗ-модификации структуры припоев при их кристаллизации может значительно улучшить свойства паяных соединений.
Модификация структуры бессвинцовых припоев
Углеродные наночастицы, входящие в состав композиционных материалов, обладают особенными механическими свойствами: их прочность в 100 раз превышает прочность стали, а плотность – в шесть раз меньше. Электрические свойства нанотрубок могут изменяться на пять порядков (т.е. от свойств металлических материалов до полупроводниковых) без введения дополнительной примеси, поэтому они представляют собой уникальный компонент для создания композиционных материалов. Структура композиционных материалов, содержащих в качестве дисперсной фазы углеродные наночастицы размером 6–10 нм, – мелкокристаллическая. Она обеспечивает высокие механические свойства и низкое стабильное электрическое сопротивление. При включении частиц в металлическую матрицу износостойкость покрытий улучшается [6].
Для модификации структуры бессвинцовых припоев применен графен (рис.2). Это двумерный кристалл, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку, он обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает графен перспективным материалом для использования в самых различных приложениях.
Теоретически и экспериментально доказано, что температура плавления чистых металлов и сплавов зависит от их структуры и размеров частиц. Модификация структуры припоя Sn–0,4Co–0,7Cu в виде наночастиц размером 10–50 нм позволила уменьшить температуру плавления на 5°С [7]. Температура плавления может быть ориентировочно определена по следующей формуле:
,
где ТПЛ (r) – температура плавления сплава с наночастицами; ТПЛ – температура плавления исходного состава; δНПЛ – скрытая теплота плавления сплава; ρТ, ρЖ – плотность твердой и жидкой фаз сплава; σЖГ, σтГ – поверхностное натяжение на границах жидкость–газ и твердое тело–газ; r – радиус наночастицы. Вычисленная по уравнению зависимость температуры сплава от радиуса наночастиц приведена на рис.3.
Модификация структуры бессвинцовых припоев Sn–3Ag–0,5Cu и Sn–0,7Cu осуществлялась при воздействии УЗ-колебаний в течение 3–5 мин на частоте 44 кГц и введении микрочастиц графена при инфракрасном нагреве слитка до температур, на 40–50°С превышающих температуру плавления припоев на установке (рис.4). Микротвердость модифицированных припоев измерялась по методу Кнупа на установке Leica VMHT Mot при нагрузке 100 г, прочность паяных соединений – на разрывной машине РП–100 при скорости нагружения 1,5 кН/мин.
Структура оловянно-свинцовых, бессвинцовых и модифицированных УЗ-обработкой и введением графена припоев и температура их плавления приведены в таблице.
После УЗ-обработки микротвердость припоев возросла в среднем в 1,2–1,3 раза и при введении в структуру припоев наночастиц графена – в 1,4–1,5 раза.
В результате исследований установлено, что максимальная прочность паяных соединений стандартным припоем ПОС-61 (30–35 МПа) достигнута в интервале температур 260–280˚С (рис.5). При обработке ультразвуком максимальная прочность достигается при температуре на 10–15˚С ниже, чем у исходного ПОС-61, и составляет 35–38 МПа. При введении в состав припоя графена максимальная прочность (40–42 МПа)была получена при температуре 215–235˚С.
Для паяных соединений припоем Sn–3Ag–0,5Cu максимальная прочность 32–37 МПа достигается в интервале температур 270–285˚С. При введении в состав припоя графена максимальная прочность 35–37 МПа достигается в диапазоне температур 255–275˚С (см. рис.5).
Для бессвинцового припоя Sn–0,7Cu максимальная прочность 28–32 МПа достигнута в интервале температур 280–290˚С. С введение графена в состав припоя оптимальный интервал температур снижается до 260–270˚С, при этом прочность соединений составляет 33–35 МПа. Фотографии микроструктуры исходных и модифицированных составов припоев приведены на рис.6.
* * *
Применение УЗ-колебаний при кристаллизации припоя ускоряет образование центров кристаллизации вследствие физического перемешивания расплава и ускорения диффузии. Это в свою очередь приводит к измельчению зерна и улучшению однородности структуры припоев. Результаты испытаний показали, что микротвердость припоев возрастает в 1,2–1,4 раза как после УЗ-обработки, так и при введении в структуру припоев наночастиц графена. Прочность паяных соединений увеличилась только на 6–8%, однако максимальная прочность паяных соединений была достигнута при более низких (на 15–20˚С) температурах пайки. Это позволяет повысить производительность процессов монтажной пайки и снизить температурное воздействие на электронные компоненты.
Литература
Lead-Free Soldering in Electronics./Ed. by K.Suganuma. – N.Y.: Marcel Dekker, 2004.
Chinnam R.K. et.all. Evolution of microstructure of Sn-Ag-Cu solder joints exposed to ultrasonic waves during solidification. – Acta Materialia, 2011, №59, р.1474–1481.
Абрамов О.В. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы. – М.: Наука, 2000.
Belyakov S.A. Ultrasonic Modification of Sn-Ag-Cu Alloy Microstructure // 9 Inter. Workshop and Tutorials, EDM’2008, 1–5 July. Erlagol., р.58–59.
Ланин В.Л., Достанко А.П., Телеш Е.В. Формирование токопроводящих контактных соединений в изделиях электроники. – Минск: Издательский Центр БГУ, 2007.
Хмыль А.А., Ланин В.Л., Шпилевский Э.М. Композиционные материалы на основе проводящих металлов и углеродных кластеров для подвижных электрических контактов. – Вестник Полоцкого гос. университета, 2006, сер. С, №4, с.74–79.
Zan C.D. et.all. Melting Tempereture Depression of Sn-0,4Co-0,7Cu Lead-free Solder Nanoparticles. – Soldering @ Surface Mount Technology, 2009, №21/2, р.9–13.
Рис.1. Пластинчатые интерметаллиды Ag3Sn на межфазной границе (оптический микроскоп)
Рис.2. РЭМ-фотография структуры графена
Рис.3. Зависимость температуры плавления сплава от радиуса наночастиц: 1 –исходный сплав; 2 –сплав с наночастицами
Рис.4. УЗ-установка модификации структуры припоев
Температура плавления припоев различного состава
Марка припоя
Состав, %
Темп. плавления, °С
Применение
ПОС 61
Олово 59-61
Сурьма до 0,8
Свинец 38–40
183
Пайка поверхностного-монтажа электронных модулей
Sn–3Ag–0,5Cu (SAC)
Олово 95,3
Серебро 3,0
Медь 0,5
217
Sn–0,7Cu
Олово 99,3
Медь 0,7
230
SAC+графен
(УЗ-обработка)
Олово 95,3
Серебро 3,0
Медь 0,5
Графен 0,1–0,5
210
Модифицированные составы
припоев
Sn–0,7Cu
+ графен
(УЗ-обработка)
Олово 99,3
Медь 0,7
Графен 0,1–0,5
215
Рис.5. Зависимости прочности паяных соединений от температуры для припоев: Sn–3Ag–0,5Cu (1 – с графеном; 2 – без графена) и Sn–0,7Cu (3 – с графеном; 4 – без графена)
Рис.6. Микроструктура припоев (х120): а – Sn–3Ag–0,5Cu; б – Sn–0,7Cu; после УЗ-обработки с добавлением графена; в – Sn–3Ag–0,5Cu; г – Sn–0,7Cu
a)
в)
б)
г)
Отзывы читателей
