최근에 이중 함유(비스무트) 솔더 합금에 대해 들어보지 못했다면 가까운 미래에 바뀔 수 있습니다. 저융점 Bi-함유 솔더는 용융 온도(58Bi/42Sn은 138°C에서 공융, 57Bi/42Sn/1Ag은 137-139°C에서 용융)가 낮기 때문에 현재 사용이 증가하고 있으며 인기를 얻고 있습니다(둘 다 Pb가 없는 대체품입니다).
저온 땜납은 고온 합금보다 더 낮은 온도에서 처리해야 열 손상과 전체 비용을 모두 줄일 수 있기 때문에 유리합니다. 저온 솔더를 사용하면 박리 또는 "팝코닝"과 같은 결함을 최소화하거나 제거할 수 있습니다. 박리 또는 팝코닝 불량 모드는 플라스틱 부품에 확산된 수분이 가열 시 빠르게 팽창할 때 발생하는 습기에 민감한 디바이스(MSD)에서 발생합니다. 이러한 저온 합금은 온도에 민감한 부품, 단계 납땜 공정 또는 재작업에 사용하기에도 적합합니다.
대부분의 땜납의 기본 금속은 232°C에서녹는 주석입니다. 합금의 용융 온도를 낮추기 위해 여러 가지 합금 원소가 사용됩니다. Ga, In, Bi, Cd는 솔더 합금의 용융 온도를 낮추는 데 효과적입니다. 그러나 Cd는 독성 때문에 자주 고려되지 않습니다. 갈륨 함유 합금은 일반적으로 실온 또는 그보다 약간 높은 온도에서 액체이기 때문에 실용적이지 않습니다. 따라서 저온 주석 기반 솔더 합금을 위한 합금 후보로 비스무트와 인듐이 남습니다. 인듐과 비스무트는 모두 고유한 물리적 특성을 제공합니다.
BiSnAg 합금은 표준 주석-납 솔더(Sn63/Pb37 또는 Sn63eutectic - 183oC)보다 용융 온도가 낮지만 대부분의 경우 완제품의 작동 온도를 견딜 수 있을 만큼 충분히 높습니다. 또한 기계적 특성은 Sn63과 유사하지만 이 솔더 합금에는 납이 포함되어 있지 않습니다. 이 합금은 137~139°C에서 공융에 가깝습니다. 일반적으로 리플로우 온도는 리퀴더스보다 20~40°C높은 온도가 권장되기 때문에 BiSnAg 합금은 최대 리플로우 처리 온도가 약 180°C 정도만 필요합니다. Sn63 어셈블리는 일반적으로 205-215°C(또는 무연 BGA를 리플로하는 경우 225-230°C 이상)가 필요하며, 무연 어셈블리의 경우 240-245°C의 공정 온도가 일반적입니다.
HP에서 전단 강도, 크리프 저항, 피로 저항 및 기타 기계적 테스트에 대해 수행한 연구(bisnag_strength_and_fatigue___hp.pdf)에 따르면 BiSnAg는 최대 90°C의 합리적인 강도를 포함하여 대부분의 조건에서 Sn63에 근접하거나 그 이상의 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.
비스무트 함유 합금에는 몇 가지 실질적인 우려가 있습니다. 주요 우려 사항 중 하나는 Bi가 상당히 부서지기 쉽고 납이 존재하는 애플리케이션에 사용할 경우 96°C에서 저융점 유텍틱을 형성할 수 있다는 점입니다. 저융점 공융체의 형성은 업계가 처음 납이 없는 분야로 전환할 때 주요 관심사였습니다. 대부분의 어셈블리는 부분적으로만 납이 없었고 납 오염이 실제 우려되었습니다. 전환이 진행됨에 따라 이러한 상황은 훨씬 덜 문제가 되었으며 오늘날에는 이중 함유 재료가 더 실용적인 옵션이 되었습니다.
초기에 HP는 Ag(또는 Au)를 소량 첨가하면 BiSn 공융 합금의 열 피로 수명이 증가한다는 사실을 관찰했기 때문에 대부분 BiSnAg 구성에 중점을 두었습니다. 25°~75°C(BiSnAg)에서 모든 어셈블리는 7,000회의 열 사이클을 견뎌냈으며 실제로 Sn63보다 우수한 성능을 보였습니다. BiSnAg의 열 피로는 Sn63과 비슷하거나 더 우수합니다(0~100°C 범위에서 Pb 오염이 없는 경우에도). HP는 Ag가 입자 크기를 줄이고 미세 구조를 안정화할 수 있으며, 미세 구조가 미세할수록 일반적으로 더 나은 기계적 특성을 위해 이상적이라고 제안했습니다(bisnag_low_temperature_solder_hp.pdf).
다음 포스트에서는 SMT 공정에서 BiSnAg 합금을 사용할 때 고려해야 할 몇 가지 요약 정보를 공유하겠습니다.
