Bizmut és antimon mikroötvözőkkel adalékolt forraszok vizsgálata

Bizmut és antimon mikroötvözőkkel adalékolt forraszok vizsgálata

Garami Tamás Msc II. évf.

Konzulens: Dr. Krammer Olivér, BME-ETT, krammer@ett.bme.hu

Az elektronikai ipar napjainkban egyre nagyobb hangsúlyt fektet a gyártási folyamatokban alkalmazott forrasztási eljárásokra, hiszen egy rosszul elkészített forrasztott kötés maga után vonhatja akár egy teljes berendezés működésképtelenségét. Az újraömlesztéses forrasztási technológiához szükséges alapanyag a forraszpaszta, melyben a forraszfém lehet ólomtartalmú, vagy ólommentes. Az ólommentes forrasztást illetően, az iparban az RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive) irányelv lépett hatályba 2006. július. 1-én, mely környezetvédelmi szempontok miatt tiltja a környezetkárosító anyagok használatát, mint amilyen az ólom vagy a higany [1]. Az iparban elterjedőben lévő, de még mindig a kutatások alapját képező ón-ezüst-réz tartalmú ólommentes forraszok minőségbeli javítására a mikroötvözés lehet a megoldás.

A mikroötvözés során a fémvegyülethez kis mennyiségben, 0,2-0,01 tömegszázalékban új elemet adalékolunk, amely által megváltozik a fémvegyület fizikai-kémiai valamint mechanikai tulajdonsága. Ilyen mikroötvöző lehet például: vas, nikkel, króm, bizmut, cink, kobalt, antimon. Nagy általánosságban állíthatjuk, hogy a mikroötvözők mennyisége kevesebb, mint 0,15 tömegszázalék (wt%) [2].

A kísérlet során csak bizmuttal valamint bizmut és antimon együttesével adalékolt forraszokat hasonlítok össze hagyományos ón-ezüst-réz és ón-ólom-ezüst forraszokkal. A mikroötvözött forraszok összetételét AES (Atomemissziós spektroszkópia) vizsgálattal állapítottam meg, melyből kiderült, hogy az mikroötvözők mennyiségét tekintve a vizsgált forraszok 0,1 wt% bizmutot illetve 0,01 wt% antimont tartalmaznak. A forrasztott kötéseket gőzfázisú forrasztási technológiával készítettem el, ügyelve az azonos fűtési tényezőre [3]. Az FR4 alapú, nyomtatott huzalozású hordozón lévő SMD (Surface Mount Device) ellenállások Thermal Shock (TS) élettartam vizsgálaton estek át több lépcsőben; 200, 500, 1000 és 2000 ciklusszám után végeztem mechanikai és struktúra összehasonlító vizsgálatokat. A nyírási szilárdság eredményei alapján az ólom tartalmú forraszok biztosítják mechanikai szempontból a legjobb kötéseket. A 2000 ciklus után mért 14,8 N-os átlagérték magasabb a többi 10–13,8 N-os értékhez képest. A friss, forrasztási utáni követlen állapothoz képest csak 56,5 %-ára csökkent a nyírási szilárdsága. A mikroötvözős forraszok is jól teljesítettek 45 % körüli értékekkel.

A keresztmetszeti csiszolatokon megfigyelhető, hogy a TS terhelések hatására a repedések iránya és formája a szakirodalomban leírtak szerint alakult [4]. Elektronmikroszkóp segítségével az intermetallikus (IMC) rétegek, illetve a kötések struktúrája is vizsgálható. A TS vizsgálatok hatására a Cu6Sn5 IMC réteg mellett kifejlődött a Cu3Sn IMC réteg is. Ólommentes forrasztott kötések esetében a Cu3Sn réteg folyamatosan növekszik, míg ólomtartalmú kötéseknél 2000 TS után már megfigyelhető a telítődés a vastagságban. A dolgozatomban a kísérleti sorozatot, a mérési eredményeket és a levont következtések részletesen ismertetem.

Irodalom:

1. Karl J. Puttlitz, Kathleen A. Stalter: Handbook of lead-Free Solder Technology for Microelectronic AssembIies, Marcel Dekker kiadó, 2004

2. I. E. Anderson, J. Walleser, J. L. Harringa: Observations of nucleation catalysis effects during solidification of SnAgCuX solder joints, Journal of the Minerals, 59. szám, 2008

3. P.L. Thu, Y.C. Chan: Study of micro-BGA solder joint relialbility, Microelectronics Reliability 41. szám, Pergamon kiadó, 2001, 87 – 293.

4. M. Dusek, M. Wickham, C. Hunt: The Impact of Thermal Cycle Regime on the Shear Strength of Leadfree Solder Joints, Soldering & Surface Mount Technology, Volume 17, 2005, 22-31

szerző

• 
  Garami Tamás
  villamosmérnöki
  nappali

konzulens

• 
  Dr. Krammer Olivér
  egyetemi docens, Elektronikai Technológia Tanszék

helyezés