Leute,
In unserem letzten Beitraghabe ich erörtert, dass intermetallische Verbindungen (IMCs), die bei Lötprozessen entstehen, entgegen der landläufigen Meinung nicht unbedingt spröde sind. Ich habe in der Literatur nachgelesen, dass die Versagensarten in der Regel an den Grenzflächen zwischen den IMCs selbst, den IMCs und dem Kupfer oder Lot und oft auch im Lot selbst auftreten. Die Ansicht, dass das IMC-Wachstum die Zuverlässigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt, wird auch durch die Arbeit von Lee, et al.. Abbildung 1 aus Lees Arbeit zeigt, dass eine Alterung von 250 Stunden bei 150°C die charakteristische Lebensdauer bei thermischen Zyklustests nicht wesentlich beeinflusst.
Abbildung 1. Eine Alterung von bis zu 250 Stunden bei 150°C hatte keinen signifikanten Einfluss auf die charakteristische Lebensdauer in den thermischen Zyklustests in Lees erwähntem Papier.
Es wäre jedoch ratsam, die Dicke der IMCs zu minimieren. Dies wirft die Frage auf: Wie schnell wachsen IMCs bei einer bestimmten Temperatur?Arbeiten von Siewert, et al.[i] liefert die Antwort. In dieser Arbeit unterstützte Siewert frühere Arbeiten, wonach die Dicke von IMCs mit X=(kt)0,5wächst, undfügte neue Daten hinzu, um die Modellierung mit dieser Gleichung zu unterstützen.In dieser Gleichung ist X die IMC-Wachstumsdistanz, k eine Konstante, die von der Temperatur abhängt, und t ist die Zeit. Man könnte erwarten, dass X stark von der Temperatur (T) abhängig ist, und das ist auch der Fall. Anhand der Daten aus Siewerts Arbeit konnte ich die Werte von k als Funktion von T ermitteln und sie in einem Arrhenius-Diagramm. Siehe Abbildung 2.
Abbildung 2. Ein Arrhenius-Diagramm für k.
Als Nächstes verwendete ich Abbildung 2, um einen Wert für k bei 70 °C zu erhalten, und zeichnete das IMC-Wachstum X in Mikron als Funktion der Zeit in Stunden auf. Das Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3. IMC-Wachstum als Funktion der Zeit bei 70°C.
Man beachte, dass etwa 40 Jahre erforderlich sind, um ein Wachstum von etwas mehr als 10 Mikrometern zu erreichen. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse für das IMC-Wachstum bei 200°C. In diesem Fall sind nur 100 Stunden erforderlich, um ein Wachstum von etwa 10 Mikrometern zu erreichen. Der Übergang von 70 auf 200 °C führt also zu einem Beschleunigungsfaktor von über 30.000 bei der effektiven IMC-Wachstumsrate auf 10 Mikrometer.
Abbildung 4. IMC-Wachstum als Funktion der Zeit bei 200°C.
Dies sind theoretische Berechnungen auf der Grundlage von Daten, die bei verschiedenen Temperaturen gesammelt wurden. Mal sehen, ob die Formeln im wirklichen Leben funktionieren. In einem anderen Papier [ii]von Ma, et al. ließ sein Team einige Lötstellen 120 Stunden lang bei 125 °C altern. Die oben verwendeten Gleichungen würden unter diesen Bedingungen ein IMC-Wachstum von 2,2 Mikrometern vorhersagen. In Abbildung 5 sehen wir ein Wachstum von etwa 2 Mikrometern, das mit der Berechnungsschätzung übereinstimmt.
Abbildung 5. Bilder aus Ma's Arbeit über IMC-Wachstum bei 125°C für 120 Stunden.
Obwohl IMCs also nicht so spröde sind, ist es ratsam, ihr Wachstum zu begrenzen. Daher ist es ratsam, die Alterung bei sehr hohen Temperaturen zu begrenzen, aber auch die Nacharbeit beim Löten zu minimieren, da das geschmolzene Lot ein sehr schnelles IMC-Wachstum ermöglicht.
Zum Wohl,
Dr. Ron
