název hlavního příspěvku

Vliv izotermálního stárnutí na
spolehlivost pájeného spoje
1
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 1
Dopisy redakci
16
při různých tloušťkách intermetalických vrstev je podrobně
popsáno v [2], kde byla změřena i závislost z obr. 1. V grafu je
pozoruhodná nízká frekvenční závislost konduktivity vzorků.
Vzorky byly pájeny pájkou Sn-4Ag.
Úvod
Pájené spoje jsou neoddělitelnou součástí všech elektrotechnických zařízení, která se v průběhu uplynulých sta let
stala součástí každodenního života všech lidí. Článek se
zabývá problémem stárnutí pájených spojů a projevy
průvodních jevů blížící se poruchy pájeného spoje. Každý
pájený spoj je tvořen, mimo jiné, rozhraním pájka-pájecí
ploška, které je podrobně analyzováno.
Důraz je kladen na růst intermetalické vrstvy při izotermálním stárnutí a změny elektrických vlastností pájených
spojů, jejichž vyhodnocení umožňuje nedestruktivní vyhodnocení kondice pájených spojů.
2
Vznik pájeného spoje
Roztavená pájecí slitina působí na pájecí plošku a její
povrchovou úpravu jako agresivní rozpouštědlo, intermetalické
sloučeniny tedy vznikají pomocí procesů rozpouštění tuhého
kovu v tekuté pájecí slitině a difuzí.
Difuze je fyzikální proces, při němž látky přecházejí
z prostředí s vyšší koncentraci do prostředí s koncentrací nižší.
Během difuzního procesu vzniká intermetalická (difuzní)
vrstva.
Důležitým pojmem je koncentrační gradient, který je
motorem dějů na mezifázovém rozhraní. Koncentrační
gradient je úměrný difuznímu toku tekuté pájky, která
difunduje přes průřez A po dobu t ze strany s vyšší koncentrací
do strany s nižší koncentrací [1].
Tloušťku difuzní vrstvy d v čase t můžeme vyjádřit
z 2. Fickova zákona následujícím vztahem:
d = d 0 + Dt ,
(1)
kde d představuje tloušťku difuzní vrstvy v čase t, d0 je
tloušťka difuzní vrstvy po pájení, D je pak součinitel difuze.
Tloušťka vytvořené difuzní vrstvy je závislá jak
na materiálech, které se pájení účastní, tak i na nastavení
procesu pájení. Obecně lze říci, že zahřátím směsi dodáme
do systému energii a to vede ke zvýšení rychlosti reakce.
Obecně se dá říci, že čím déle je pájka nad teplotou tavení
(čím déle probíhá pájení), tím je větší tloušťka vytvořené
difuzní vrstvy. Sloučeniny, které obsahuje difuzní vrstva, mají
velký vliv na tepelnou vodivost, rezistivitu, křehkost, pevnost
ve střihu a odolnost proti otřesům.
Na rozhraní bezolovnatá pájka-pájecí ploška vznikají
intermetalické sloučeniny Cu6Sn5, Cu3Sn a Ni3Sn4, které se
odlišují od mědi v o řád nižší tepelné vodivosti a v téměř o řád
vyšší rezistivitě. To jsou pro spolehlivost pájeného spoje
kritické parametry, které by bylo elegantní nějak hromadně
a nedestruktivně měřit v čase.
Existuje souvislost mezi vodivostí pájeného spoje
a tloušťkou intermetalické vrstvy. Závislost vodivosti
na frekvenci měření při různých dobách stárnutí, potažmo
Obr. 1.
3
Závislost vodivosti na frekvenci u vzorků různého stáří [2].
Průběh experimentu
Jednotlivé kroky průběhu experimentu lze popsat
následujícími body:
• Návrh desky plošných spojů (DPS).
• Příprava vzorků.
• Tisk pájecí pasty, osazení a pájení v přetavovací peci.
• Izotermální stárnutí zapájených DPS.
• Zpracování metalografických výbrusů.
• Měření šumu pájených spojů.
• Vyhodnocení výsledků.
3.1 Popis měřených vzorků
Pájené spoje byly realizovány na zkušební DPS
s povrchovou úpravou ENIG (Electroless Nickel Immersion
Gold). Spoj byl zajišťován bezolovnatou pájecí slitinou SAC
305 a tvořil jej měděný válec o průměru 1,4 mm a délce 6 mm.
Vzorky byly připraveny z kvalitního měděného vodiče.
Fotografie z řezu vzorkem je na obr. 2.
Obr. 2.
Fotografie pořízená z řezu vzorkem.
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 1
Dopisy redakci
3.2 Průběh stárnutí vzorků
Doba přípravy experimentu byla poměrně dlouhá. Bylo to
způsobeno stárnutím, které trvalo 720 hodin, tzn. 30 dní.
Osazené a zapájené DPS s povrchovou úpravou ENIG byly
izotermálně stárnuty při konstantní vlhkosti 30 %. Byly
měřeny vždy 3 hodnoty na třech pájených spojích, bezprostředně po pájení, stárnuté 240 hodin, 720 hodin, 1500 hodin,
1800 hodin a 3600 hodin. Podle [3] 720 hodin stárnutí
při 125 °C odpovídá osmi rokům provozu zařízení při teplotě
60 °C.
Při 1500 hod. a 1800 hod. bylo provedeno pouze kontrolní
měření, jehož výsledky nejsou uvedeny v tabulkách. Pro nalezení doby stárnutí, při které je pájený spoj již na hranici
životnosti, bylo provedeno stárnutí v délce 3600 hodin.
3.3 Měření tloušťky intermetalické vrstvy
Výsledkem měření jsou tloušťky intermetalických vrstev
na rozhraní povrchová úprava–pájka u jednotlivých vzorků,
viz tab. 1. Výsledná hodnota je vždy součtem tloušťky Cu3Sn
a Cu6Sn5. Měření probíhalo vždy na třech vzorcích pro každou
délku stárnutí (vzorky označeny 1, 2, 3). Směrodatné odchylky
měření jsou uvedeny v tab. 2 a dokládají vyrovnanost
jednotlivých výsledků měření.
Tab. 2.
Pájený spoj by měl vykazovat nízký odpor, nízký šum
a vysokou stabilitu v čase. Proč bylo využito měření šumu
v pájených spojích k jejich diagnostice? V literatuře existují
prekurzory souvislosti tloušťky intermetalické vrstvy s počtem
dutin na rozhraní, obecně kondicí spoje a s šumem, který
vykazuje pájený spoj.
Ke spolehlivému a přesnému měření je potřeba
nízkošumový zesilovač, oddělený zdroj napájení a izolaci
od rušení. Nejlépe je měřit v uzavřeném kovovém prostoru
s konstantní teplotou okolí. Úroveň šumu pájeného spoje nebo
také spektrální hustota šumového výkonu (dále jen SHSV) je
velice nízká, měřící aparatura byla navržena s ohledem
na potlačení šumu kontaktů (připojeno přes jehlové pole).
Část výsledků měření je uvedena v tab. 3 a vynesena
do grafu na obr. 4.
Vzorek 1
tl. [µm]
Vzorek 2
tl. [µm]
Vzorek 3
tl. [µm]
2,49
2,76
3,60
16,00
2,50
2,95
3,80
15,60
2,90
3,00
3,95
15,30
Výsledky měření spektrální hustoty šumového výkonu (SHSV),
odečteno při 10 Hz.
SU10
[V2/Hz]
Šum aparatury
Po pájení
Stárnuto 240 hod.
Stárnuto 720 hod.
Stárnuto 3600 hod.
2,26E-17
1,49E-16
1,65E-16
1,92E-16
6,30E-16
Směrodatné odchylky měření tloušťky intermetalické vrstvy.
Jednotka
[µm]
7,00E-16
Směrodatné odchylky
Po pájení 240 hod. 720 hod. 3600 hod
0,190
0,103
0,143
0,210
Z naměřených hodnot je zřejmé, že tloušťka intermetalické
vrstvy při zvýšené teplotě stále narůstá. Při zvýšené tloušťce
intermetalické vrstvy se stávají fyzikální vlastnosti
jednotlivých intermetalických sloučenin limitujícími faktory
pro životnost pájeného spoje. Na obr. 3 jsou fotografie
rozhraní pájka-pájecí ploška pořízené elektronovým
mikroskopem. Z fotografií je patrné, že s růstem intermetalické
vrstvy dochází i k tvorbě a zvětšování dutin, tzv.
Kirkendallových voidů, na rozhraní.
Obr. 3.
3.4 Měření šumu pájených spojů
Tab. 3.
Výsledky měření tloušťky intermetalické vrstvy.
Tl. po pájení
Tl. po 240 hod.
Tl. po 720 hod.
Tl. po 3600 hod.
Motorem tvorby dutin jsou rozdílné difuzní koeficienty
pájky a měděného povrchu pájecí plošky. Rychlost difuze
mědi do pájky bohaté na cín je mnohem rychlejší než difuze
cínu do mědi. Obecně lze říci, že by bylo přínosné použít
metodu pro nedestruktivní zjišťování stavu pájeného spoje,
kterou by bylo možné predikovat jeho spolehlivost.
Vlevo je fotografie z řezu pájeným spojem bezprostředně po pájení,
dále pak po 240 hod. a po 720 hod. stárnutí při 125 °C.
6,00E-16
5,00E-16
Aparatura
Su [V2/Hz]
Tab. 1.
17
Po pájení
4,00E-16
240 h. stárnutí
3,00E-16
720 h. stárnutí
3600 h. stárnutí
2,00E-16
1,00E-16
0,00E+00
1
Obr. 4.
Graf s výsledky měření SHSV.
Snímek části intermetalické vrstvy pájeného spoje
stárnutého 3600 hod. je na obr. 5. Na snímku je pouze vrstva
Cu3Sn, která měla tloušťku 6 μm. Tato vrstva zpravidla
obsahuje nejvíce dutin, protože je přímo na rozhraní pájkapájecí ploška. Z obrázku je patrné, že množství dutin i tloušťka
intermetalické vrstvy budou ovlivňovat i mechanické
vlastnosti spoje. Pájené spoje byly i po vizuální stránce v horší
kondici.
Elektrický odpor pájených spojů však nejevil známky
větších změn. Po mechanické stránce byly spoje velice křehké,
měděný válec bylo možné vytrhnout z pájeného spoje
pinzetou.
Dopisy redakci
18
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 1
Literatura
Obr. 5.
4
Snímek vrstvy Cu3Sn stárnutého spoje (3600 h.).
Závěr
Z metalografických výbrusů vzorků, u kterých bylo
ukončeno stárnutí po 1500, 1800 a 3600 hodinách, lze usoudit,
že u testovaných vzorků je možné považovat SHFN na úrovni
5.10-16 V2/Hz jako horní hranici pro spolehlivý pájený spoj.
Vyšší hodnoty predikují možné omezení funkce pájeného
spoje v blízké budoucnosti. To lze potvrdit měřením tloušťky
intermetalické vrstvy popsaným v kapitole 3.3, kde se prokázala podobná souvislost mezi růstem, časem a teplotou jako
v mnoha publikovaných studiích, viz například [2], [4], z nichž
některé se věnují i souvislosti mezi tloušťkou intermetalické
vrstvy a mechanickými vlastnostmi pájeného spoje.
Provedená měření měla za cíl pouze ukázat na alternativní
nedestruktivní cestu zjišťování kondice pájených spojů, která
by se dala využít u namáhaných strategicky důležitých
elektrotechnických sestav.
Ing. Petr Stejskal
[1] Starý, J. Disertační práce, Bezolovnaté pájení materiálová a procesní kompatibilita v inertní
a inertně/redukční atmosféře. FEKT, VUT Brno, 2007.
[2] Podzemský, J., Papež, V., Urbánek, J., Dušek, K.
Influence of Intermetallic Compounds on RF Resistance
of Joints Soldered with Lead Free Alloys.
Radioengineering, 2012, vol. 21, no. 2, 2012. p. 573-579.
[3] Pan, J., Silk, J., Powers, M. The Morphology Evolution
and Voiding of Solder Joints on QFN Central Pads with
a Ni/Au Finish. In Proc. of the IPC APEX Expo 2012,
USA, 2012. URL <http://digitalcommons.calpoly.edu/
cgi/viewcontent.cgi?article=1086&context=ime_fac>.
[4] Yoon, J., Noh, B., Lee, Y., Jung, S., Effects of Isothermal
Aging and Temperature-Humidity Treatment of Substrate
on Joint Reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu/OSP-finished Cu
CSP Solder Joint. Microelectronic Reliability, 2008,
vol. 48, no. 11-12, p. 1864-1874.