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高可靠的低温焊锡合金
  2020-09-08      6

作者:Pritha Choudhury, Morgana Ribas, Raghu Raj Rangaraju, and Siuli Sarkar

MACDERMID ALPHA ELECTRONICS SOLUTIONS公司

不断增加数字化和更强的连接性推动电子产品的小型化、复杂化、集成化设计。随着PCB上的元件占位变小,封装尺寸也随之缩小。但是,为提高性能寻找设计方案的动力不断增强。焊点是用电子器件构成组件的基本部分,它提供组件中的电气、热和机械连接。因此,焊接材料一直在演进,使这样的技术革命能够实现。

21世纪初,在焊接材料中限制使用铅促使电子行业广泛使用无铅焊接材料。从那时起,对具有热可靠性与机械可靠性的焊锡合金的需求就成为开发新焊接材料的最重要的技术驱动因素。低温焊料(LTS)目前正被考虑用于各种组装需求。这些低温焊锡有可能通过减少热暴露来提高长期可靠性,通过使用低Tg PCB和低温兼容元件及它的碳足迹来降低总的材料成本。使用低温焊锡还被认为可以降低能量消耗,减少BGA封装与PCB的动态翘曲,提高组装成品率,降低或消除没有润湿的开路和枕头效应缺陷[1,2]。的确,动态翘曲是PoP底部和PoP内存封装的一个严重问题,因为它们可能会导致严重的焊接缺陷,例如没有润湿的开路、焊锡桥连、枕头效应和非接触点开路[1,3]。大量研究表明,这种翘曲的高度取决于回流温度,组装时将焊接温度保持在200°C以下,就可以把翘曲的高度大幅降低到可接受水平[1]

下一代LTS合金


值得注意的是,只降低合金的熔点还不足以解决这类技术在可靠性方面的困难。例如,共晶42Sn58Bi合金会是一种合乎逻辑的选择,它的熔点是138°C,但是,它的延展性比较低,热疲劳寿命比较差,不如现在正在使用的SAC305合金。

因为这种合金的富铋相是易脆的,这使共晶42Sn58Bi焊锡在高应变速率情况下容易发生脆性断裂。材料供应商和行业协会,例如iNEMI正在开发和测试新的低温合金,以满足这些要求 [5-11]

在合金中加入银是改变共晶锡铋合金微观结构和性能的一种最常用的方法。MacDermid Alpha电子解决方案公司对焊锡合金的广泛研究没有止步于此,他们还致力于开发具有更高热可靠性和机械可靠性的低温焊锡系列产品。经过证明,SBX02焊锡(含微量添加剂X的无银锡铋共晶合金)的抗机械冲击性能和热循环性能,要比一般已知的42Sn58Bi2Sn57.6Bi0.4Ag合金更高[8]。最近,HRL1焊锡(一种非共晶锡铋焊锡,含约2 wt.% (重量百分比2 %)的性能添加剂)表现出优异的跌落冲击性能和热循环性能。如图所示,这种新的LTS合金把最佳水平的铋和正确的合金添加剂组合结合起来,以提高合金的热可靠性和机械可靠性。

LTS锡膏与组装


把选定的合金加工成IPC四型粉末,使用适量的焊膏助焊剂混合成锡膏,然后再进一步评估焊点的热可靠性和机械可靠性。使用HRL1锡膏来组装测试工具的回流温度曲线如图1所示。在100-120℃的温度浸渍60-90秒。液相线(TAL)以上时间为3540秒,最高回流温度为185-190°C。评估的所有BGA都是SAC305焊锡球。

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1HRL1低温焊锡的回流温度曲线。

大块合金的属性


固溶体强化和沉淀/弥散硬化结合起来,可以提高金属锡的机械强度。铋、铟、锑这些元素在锡中的溶解度比较高,在合金中形成固溶体,而其他的元素如银和铜在锡铋合金中的溶解度比较小,在锡铋合金中添加少量的这些金属可以提高合金的强度。大块合金的性能可以提供关于焊点抗机械应力和抗热疲劳性能的详细信息,超过微观结构观察。

1给出共晶42Sn58BiHRL1SAC305合金的一些关键物理性能。高纯度42Sn58Bi合金的固相线和液相线温度相同(共晶),大约为138°C。根据锡铋合金的相图,铋含量下降到58 wt.%对应的共晶点以下时,液相线的温度上升,这种情况取决于合金中添加的微量金属。在合金HRL1的情况中,固相线和液相线的温度分别是138℃151℃。另外,HRL1DSC曲线表明,在139°C时,79.7%的合金转化为液相;在144°C时是99%[10]42Sn58Bi合金和HRL1合金的密度比SAC305的密度大,因为铋的密度比锡大得多。HRL1合金的线性热膨胀系数(CTE)介于42Sn58BiSAC305之间。

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1:大块合金的关键性能。(备注:1. 25-80°C之间的热膨胀系数, 2. 25°C  °C时的热膨胀系数,3. 样本在°C开始变形)。

在温度80°C使用恒定负载(150 牛顿)下进行大块合金的蠕变测试。在进行任何组装之前,进行这种类型的测试是测定焊点热机械性能的机会。HRL1断裂前的总时间(也称为蠕变强度)比共晶42Sn58Bi的高出30%,这进一步证明HRL1提高了抗机械应力和抗热应力性能。在室温下,这两种锡铋合金的极限抗拉强度(UTS)都明显要高于SAC305合金。但是,HRL1合金的屈服强度和延展性与SAC305相似。相比之下,42Sn58Bi的高屈服强度表现出易脆性。无法得到42Sn58Bi75°C下的拉伸数据,这是由于拉伸样品在这个温度时开始变形,并且从测试夹紧装置中滑落。不过,在75℃时,HRL1的抗拉强度和屈服强度仍然和SAC305的性能相当,这个有力的迹象表明HRL1改善了机械强度和热强度。

机械可靠性和热可靠性

便携设备和手持设备已迅速成为我们日常生活的一部分,因此,抗跌落和抗冲击性能成为在这类设备中使用的焊锡必须具备的特性。由于对真实的电子设备进行测试相当麻烦而且很昂贵,代用品测试(例如JESD22-B111标准)可以代替真实的电子设备。JEDEC的服务条件B1500 高斯,持续时间0.5 毫秒的半正弦脉冲)可能是最常见的电路板级跌落冲击测试,并且可以供后续测试的测试结果参考。

将铋含量降低到58 wt.%以下可以在有效提高含铋合金延展性的同时保持合金的强度,改善抗跌落冲击性能,如图2所示[10]。但是,铋含量达到40wt%或更低的锡铋合金的液相线温度高于178°C,回流温度必须高于200°C,这违背了使用低温合金代替SAC合金的目的。此外,将铋含量从58 t.%下降到40 wt.%可以将跌落冲击特性寿命(即达到累积故障率 63.2%的时间)提到高到77%,但这样的性能仍然比SAC305替换品的要求低40%。。

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2:使用CTBGA84的各种LTS合金的跌落冲击失败的Weibull分布。

在数十种使用了各种不同的添加剂组合的锡铋合金中发现,HRL1的混合焊点与同质焊点的跌落冲击性能最好,如图3所示。Weibull分布曲线显示,HRL1合金/SAC305混合焊点的跌落冲击特性寿命是在BGA84SAC305混合焊点的82.7%LGA84采用一种快速测试方法来评估同质焊点的跌落冲击行为。在这种情况下,HRL1合金的跌落冲击特性寿命略高于SAC305。在每一种情况下,HRL1SAC305Weibull曲线都在95%的可信任区间内。同样值得注意的是,在BGA84 HRL1SAC305的形状参数相同(都是1.27),在 LGA84中也和SAC305几乎一样(分别是1.831.73)。在图3b)中,没有标明符号的各种分布图突出了前面讨论的这方面内容。

 

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3BGA84的跌落冲击失败概率图。(a)数据点与Weibull分布的符合情况;(bWeibull分布符合省略符号的情况。

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4:热循环期间BGA84LTS/SAC305混合焊点上的累积失败。

热可靠性测试使用一个单区空气-空气热冲击腔,样品在腔中进行温度从-40°C+125°C的热冲击循环,在每个温度下停留10分钟的热循环达到2000次。根据IPC 9701-A标准中的描述,连续监测元件的电阻,把连续五个读数中电阻增加20%或更多的情况定义为失败。图4是在1000/1500/2000次热循环后的累计失败。在现场监测中,与SAC305焊点进行比较,只考虑LTS/SAC305混合焊点。在前1000次循环中没有观察到失败。1500次循环后,共晶锡铋合金的失败速度相对加快,而直到2000次循环时HRL1失败速度和SAC305的接近。

焊点评估

现场监测焊点的电阻提供在热循环过程中焊点上发生变化的是定量信息,焊点横截面分析(如果有的话)因为热循环导致的相应的焊点退化提供看得见的参考。图5是刚刚焊接的一些HRL1/SAC305混合焊点(BGA432BGA208BGA84)和HRL1同质焊点(LGA256MLF100和芯片电阻120608050201)的例子。考虑到优化的组件和回流的条件,并结合封装的尺寸,并没有观察到翘曲或焊接缺陷。

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5:焊点横截面的例子,图(a-c)是HRL1/SAC305混合焊点,(d-h)是同质的HRL1焊点。每张图像分别采用不同放大倍数。

6中的(a)是BGA84 1500次热循环后焊点的横截面,(b)是1206芯片电阻在2500次热循环后的横截面。在1500次热循环后,共晶SnBi/SAC305混合焊点的退化比HRL1/SAC305混合焊点高。对1206芯片电阻进行单独的热循环测试,焊点的横截面表明经过2500次循环后,HRL1的同质焊点出现一点退化。相比之下,在SnBi合金和SAC305合金中观察到大量的裂缝。

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6:(a1500次热循环后BGA84焊点的横截面,(b2500次热循环后芯片电阻1206焊点的横截面。

在这些测试条件和元件中,所有三种合金在热循环后都表现出剪切强度下降(图7),但HRL1的微观结构似乎更能承受因热循环应变引起的应力。在热循环达到500次时,共晶SnBiHRL1的剪切强度只比初始值10.611.2 kgf略为下降,而SAC305的剪切强度损失比这两种焊锡高8倍。在2000次热循环后,HRL1的剪切强度比初始值降低24%,而共晶SnBi下降68.4%SAC305下降81%(初始值是10.1 kgf)。

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7:热循环对剪切强度的影响。

总结

由于可以在200℃以下回流的高可靠性低温无铅焊锡合金的需求在不断增长,因此,必须仔细考虑这类合金的特性,包括熔融表现、微观结构和热机械性能。针对本文讨论的封装和实验条件,结果总结如下:

    与抗拉强度比较高的SnBi合金相结合的HRL1焊锡,屈服强度和延展性和SAC305相似。

    HRL1焊锡可以使峰值回流温度低到185-190°C,使用SnAgCu焊锡球组装的BGA封装(即与SAC的混合焊点),或者使峰值回来温度达到170-175℃,用于均质HRL1焊点。

    HRL1的跌落冲击性能和热循环性能使它可以作为测试工具和实验条件,以及许多其他应用中使用。

鸣谢

我们在此向印度研发中心的同事对这项工作的关键支持表示感谢。我们还要感谢其他参与讨论这项工作的同事,本文手稿出自与他们的讨论。SMT007

References

参考文献

1. Aspandiar, R., Byrd, K., Tang, K. K., Campbell, L., and Mokler, S., “Investigation of Low-temperature Solders to Reduce Reflow temperature, Improve SMT Yields and Realize Energy Savings,” Proceedings of IPC APEX EXPO, San Diego, California, February 2015.

2. Osgood, H. R., Geiger, D., Pennings, R., Biederman, C., Jiang, J., and Bernal, J., “Low-Temperature SMT Solder Evaluation,” Proceedings of IPC APEX EXPO, San Diego, California, January 2019.

3. Loh, W. H., and Fu, H., “Package-on-Package Warpage Characteristics and Requirements,” SMT Magazine, July 2016, pp. 68–76.

4. Mokhtari, O., and Nishikawa, H., “Coarsening of Bi phase and intermetallic layer thickness in Sn-58Bi-X (X = In and Ni) solder joints,” Proceedings of the 14th International Conference on Electronic Packaging Technology, pp. 250–253.

5. Fu, H., Aspandiar, R., Chen, J., Cheng, S., Chen, Q., Coyle, R., Feng, S., Krmpotich, M., Lasky, R., Mokler, S., Radhakrishnan, J., Ribas, M., Sandy-Smith, B., Tang, K. K., Wu, G., Zhang, A., and Zhen, W., “iNEMI Project on Process Development of BiSn-Based Low-Temperature Solder Pastes,” Proceedings of the 2017 SMTA International Conference, Rosemont, Illinois, September 2017, pp. 207–220.

6. Fu, H., Radhakrishnan, J., Ribas, M., Aspandiar, R., Byrd, K., Chen, J., Cheng, S., Chen, Q., Coyle, R., Feng, S., Hardin, B., Krmpotich, M., Mokler, S., Sandy-Smith, B., Tang, K. K., Wu, G., Zhang, A., and Zhen, W., “iNEMI Project on Process Development of BiSn-Based Low-Temperature Solder Pastes–Part III: Mechanical Shock Tests on POP BGA Assemblies,” Proceedings of the 2018 International Conference on Electronics Packaging, Kuwana, Japan, April 2018.

7. Fu, H., Radhakrishnan, J., Ribas, M., Aspandiar, R., Arfaei, B., Byrd, K., Chen, J., Cheng, S., Chen, Q., Coyle, R., Daily, D., Feng, S., Krmpotich, M., Mokler, S., Sandy-Smith, B., Tang, K. K., Wu, G., Zhang, A., and Zhen, W., “iNEMI Project on Process Development of BiSn-Based Low-Temperature Solder Pastes–Part IV: Comprehensive Mechanical Shock Tests on POP Components Having Mixed BGA BiSn-SAC Solder Joints,” Proceedings of the 2018 SMTA International Conference, Rosemont, Illinois, October 2018.

8. Ribas, M., Hunsinger, T., Cucu, T., Ramakrishna, H. V., Lim, G., and Murphy, M., The Printed Circuit Assembler’s Guide to...Low-Temperature Soldering, BR Publishing Inc., 2018.

9. Ribas, M., Vangapandu, B., Rangaraju, R. R., Telu, S., Pai, L., Kumar, R., Patil, V., Ramakrishna, H. V., Cucu, T., and Sarkar, S., “Low-Temperature Soldering: Reflow Optimization for Enhanced Mechanical Reliability,” Proceedings of the 2018 SMTA International Conference, Rosemont, Illinois, October 2018.

10. Ribas, M., Kumar, A., Kosuri, D., Rangaraju, R. R., Choudhury, P., Telu, S., and Sarkar, S., “Low-temperature Soldering Using Sn-Bi Alloys,” Proceedings of the SMTA International Conference and Exhibition, Rosemont, Illinois, September 2017.

11. Ribas, M., Augustine, P., Choudhury, P., Rangaraju, R. R., Kumar, A., and Sarkar, S., “Low-Temperature Soldering: Thermal Cycling Reliability Performance,” Proceedings of IPC APEX EXPO, San Diego, California, January 2019.

Dr. Pritha Choudhury is sr. scientist of R&D at MacDermid Alpha Electronics Solutions.

Dr. Morgana Ribas is a sr. R&D manager of the Metals Technology Group at MacDermid Alpha Electronics Solutions.

Raghu Rangaraju is a R&D scientist at MacDermid Alpha Electronics Solutions.

Dr. Siuli Sarkar is director of R&D, India Research Centre at MacDermid Alpha Electronics Solutions.

All the authors are located at the MacDermid Alpha Electronics Solutions India Research Centre,

作者简介:Pritha Choudhury 博士MacDermid Alpha Electronics Solutions公司研发部的高级科学家。Morgana Ribas 博士MacDermid Alpha Electronics Solutions公司金属材料组的高级研发经理。Raghu RangarajuMacDermid Alpha Electronics Solutions公司的研发科学家。Siuli Sarkar博士MacDermid Alpha Electronics Solutions公司印度研发中心总监。上述所有作者都在MacDermid Alpha Electronics Solutions公司印度研发中心工作。

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