Leute,
Vor einigen Jahren beschloss ein führender IC-Hersteller, dass seine F&E-Bemühungen davon profitieren könnten, wenn sie auf mögliche Verbesserungen hin analysiert würden - durch die Einstellung von Fachleuten aus der Kunst (z. B. Sänger, Schauspieler, Künstler usw.). In diesem Sinne gehe ich nicht ganz so weit weg von der Elektronikmontage, um einen der führenden Ingenieurstudenten von Dartmouth zu bitten, einen Blick auf einige der Aktivitäten zu werfen, die derzeit in der Elektronikmontage stattfinden. Die Studentin ist Alison Stace-Naughton (ASN). Ich werde mich eine Weile mit Alison unterhalten und dann Brook Sandy von der Indium Corporation bitten, einige Fragen von Alison zu SACm® zu beantworten.
Dr. Ron (DR): Alison, erzählen Sie uns ein wenig über sich selbst.
Alison Stace Naughton aus Dartmouth
ASN: Ich habe gerade im Juni 2013 mein Studium der Ingenieurwissenschaften mit Auszeichnung abgeschlossen und eine lebenslange Mitgliedschaft bei Tau Beta Pi, einen Bachelor of Arts und einen Bachelor of Engineering vom Dartmouth College erhalten.
DR: Sie haben vor kurzem ein Start-up gegründet, erzählen Sie uns davon.
ASN: Während meiner Zeit am Dartmouth College war ich Mitbegründer eines Start-ups für medizinische Geräte, Spiral-E Solutions LLC. Seitdem habe ich mich immer für die Welt der Start-ups und verschiedene Produkte, die reale Bedürfnisse lösen, interessiert.
DR: Sie haben kürzlich zwei nationale Preise gewonnen, richtig?
ASN: Ja, ich habe den ersten Preis im Innovationswettbewerb 2013 der National Biomedical Engineering Society's BMEStart gewonnen, da ich im Rahmen meines Abschlussprojekts ein neuartiges Filtrations- und Isolationssystem für die Fäkaltransplantation entwickelt habe, das den Prozess effizienter macht und gleichzeitig die Wirksamkeit beibehält. Außerdem gewann ich 2012 den ersten Preis im Innovationswettbewerb der National Institutes of Health (NIH) fürdasselbe Filtrationsgerät für Fäkaltransplantationen. Auch darüberhat Dartmouth einen Artikelveröffentlicht.
DR: Nun, wenn die Leute daran interessiert sind, mehr über Sie zu erfahren, können sie auf Ihr Linkedin-Konto gehen. Erzählen Sie uns von Ihrem Interesse an der Indium Corporation.
ASN: Diesen Sommer habe ich mit Dr. Ron zusammengearbeitet und mich für Indium und SACm® interessiert. Aber nachdem ich den Artikel "Achieving High Reliability Low-Cost Lead-Free SAC Solder Joints via Mn Doping" von Dr. Ning-Cheng Lee et al. gelesen hatte, hatte ich ein paar Fragen.
DR: OK, für Fragen übergebe ich an Brook Sandy-Smith (BSS) von der Indium Corporation.
ASN: OK. Brook, was sind aus der Sicht der Materialwissenschaft einige kritische Punkte, die ein Ingenieur in Bezug auf Lot haben könnte?
BSS : Die Aufgabe des Lötmittels in Leiterplattenbaugruppen besteht darin, eine Verbindung herzustellen, die sowohl elektrisch und thermisch leitfähig als auch mechanisch robust ist. Auch die Zuverlässigkeit ist eine wichtige Anforderung, da die Geräte eine lange Lebensdauer haben sollen. All diese Faktoren beeinflussen die Wahl der Legierung und der Form des verwendeten Lots. Auch die Prozessanforderungen können ein Schlüsselfaktor für die Wahl der richtigen Materialien sein.
ASN: Können Sie ein wenig über die Geschichte der SAC-Legierungen erzählen?
BSS: In der Elektronikindustrie wurde bis zur Umstellung auf Pb-freies Lot vor fast einem Jahrzehnt hauptsächlich die eutektische 63Sn37Pb-Legierung verwendet. Bei der Suche nach einem Ersatz gab es einige Schlüsselfaktoren: ähnliche Schmelzeigenschaften innerhalb der für Baugruppen akzeptablen Temperaturbereiche, Beständigkeit gegen Fallschock, Beständigkeit gegen Temperaturwechsel und ähnliche mechanische Eigenschaften wie bei SnPb-Lot. Legierungen, die in erster Linie aus Zinn (Sn) mit geringen Anteilen von Silber (Ag) und Kupfer (Cu) bestehen (SAC-Legierungen), schnitten am ähnlichsten zu SnPb ab. Da 63Sn37Pb eine eutektische Legierung ist (was bedeutet, dass beim Schmelzen alle Phasen der Legierung bei einer Temperatur schmelzen), wurde als erstes eine nahezu eutektische Zusammensetzung angenommen, SAC387, die 3,8 % Ag und 0,7 % Cu enthält.
Kurz nach der Verabschiedung von SAC387 stieß die Industrie auf den Fehler, den wir "Tombstoning" nennen. Dieser Fehler tritt beim Reflow-Verfahren auf und führt dazu, dass nur ein Ende eines Bauteils gelötet wird. Die Oberflächenspannung des Lots an diesem Ende führt dazu, dass das Bauteil auf seinem Ende steht, was zu einem tombstone-ähnlichen Erscheinungsbild führt. Eine Lösung für dieses Problem war die Verwendung einer anderen Zusammensetzung der SAC-Legierung, SAC305, die 3 % Ag und 0,5 % Cu enthält. Dieser Legierungswechsel war hilfreich, da der geringere Unterschied in den Benetzungskräften während des Reflow-Prozesses dazu führt, dass die Bauteile an ihrem Platz bleiben, während die Lötstellen schmelzen und benetzt werden. Diese Legierung ist nicht eutektisch, so dass es einen Temperaturbereich gibt, in dem die Legierung schmilzt.
SAC305 wurde wegen seiner geringeren Fehlerhäufigkeit weithin angenommen (der um 0,8 % geringere Ag-Gehalt war auch aus Kostengründen hilfreich). Es schien, dass diese Legierung zum Standard werden könnte, aber mit den zusätzlichen Fallstoßanforderungen für kleinere mobile Geräte und einem starken Anstieg der Ag-Preise in den Jahren 2010-2012 wurden auch Legierungen mit weniger Ag angenommen, wie SAC105. Die Fallstoßfestigkeit von SAC105 ist besser als die von SAC305, aber die thermische Zyklusfestigkeit ist schlechter.
ASN: Ich habe in dem Papier von Fallschocktests und thermischen Zyklustests gelesen. Können Sie erklären, was das ist und warum sie wichtig sind?
BSS: Unsere elektronischen Geräte müssen nicht nur elektrische Signale leiten und Informationen anzeigen. Sie müssen auch robust sein, um eine lange Lebensdauer zu haben. Robustheit wird auf viele Arten charakterisiert, aber bei den Grundlagen der Lötlegierungen achten wir auf die Fallstoßfestigkeit und die Zuverlässigkeit bei Temperaturwechseln.
Bei der Fallschockprüfung wird ein mehrfaches Fallenlassen des Geräts unter kontrollierten Bedingungen simuliert, um festzustellen, wann Komponenten auf einer Leiterplatte ausfallen können. Bei SAC-Legierungen ist die Fallschockfestigkeit bei geringeren Silbermengen besser, daher ist SAC105 besser als SAC305.
Die Zuverlässigkeit bei thermischen Zyklen wurde ursprünglich entwickelt, um die Auswirkungen der Erwärmung zu simulieren, die durch das Ein- und Ausschalten großer Geräte entsteht. Große Geräte und ältere Elektronik hatten mehr Probleme mit dem Wärmemanagement und mussten größere Temperaturzyklen überstehen als die Smartphones oder modernen Geräte, die wir heute verwenden. Dieser Leistungsaspekt ist nach wie vor wichtig, da die Geräte bei vielen Temperaturbedingungen robust sein müssen, und bei einigen Anwendungen, wie z. B. in der Automobilelektronik, wird den Temperaturzyklen zusätzliche Aufmerksamkeit geschenkt. Bei SAC-Legierungen geht der Trend dahin, dass Ag und Cu die Zuverlässigkeit erhöhen und die Anzahl der thermischen Zyklen bis zum Ausfall verlängern. Daher ist SAC305 im Hinblick auf die Temperaturwechselbeständigkeit besser.
Die entscheidende Gratwanderung bei SAC-Legierungen hängt also von der Anwendung ab und davon, wie resistent die Baugruppen gegen Stürze und thermische Bedingungen sein müssen. Für Unterhaltungselektronik ist die Fallstoßfestigkeit entscheidend, während Geräte, die eher stationär oder geschützt sind, andere Anforderungen stellen.
ASN: SAC105 hat also SAC305 in mobilen Geräten ersetzt und spart Geld, da weniger Silber verwendet wird. Hat SAC105 irgendwelche Nachteile?
BSS: Bei der Auswahl von Materialien gibt es immer Kompromisse. Es gibt nur selten ein magisches Material, das alle gewünschten Eigenschaften in allen gewünschten Kategorien aufweist. So bietet SAC105 den Vorteil einer besseren Fallstoßfestigkeit, aber der Nachteil ist, wie bereits erwähnt, ein früheres Versagen bei Temperaturwechseln. Ein weiterer Unterschied ist ein etwas höherer und breiterer Schmelzbereich, wodurch die Reflow-Temperaturen noch näher an den Temperaturgrenzen für Baugruppen liegen.
ASN: Jetzt sehe ich die Notwendigkeit von SACm®, um eine bessere thermische Zyklusleistung für eine Legierung vom Typ SAC105 zu erreichen.
BSS: Richtig. Um ein Material mit zusätzlicher Fallstoßfestigkeit zu erhalten, ohne die Eigenschaften von SAC305 zu beeinträchtigen, reicht eine Änderung der Silber- und Kupferzusammensetzung allein nicht aus. Aus diesem Grund haben wir viele verschiedene Dotierstoffe oder elementare Zusätze untersucht. SACm® enthält einen sehr geringen Anteil an Mangan (Mn), der die Leistung der Legierung verbessert und mit weniger Silber eine noch bessere Leistung als SAC305 erzielt.
ASN: Das ist ziemlich erstaunlich; es kommt nicht oft vor, dass ein Material zwei konkurrierende Messgrößen (d. h. Fallschock und thermische Zyklusleistung) verbessern kann. Wie erreicht SACm® dies?
BSS: Um zu beurteilen, inwiefern sich SACm® von anderen SAC-Legierungen unterscheidet, sehen wir uns die Mikrostruktur einer Lötstelle im Rasterelektronenmikroskop an. Das Mikrogefüge weist feinere intermetallische Strukturen auf. Wie Sie aus dem Werkstoffkundeunterricht wissen, neigen Risse in Lötstellen dazu, sich entlang dieser intermetallischen Ebene in der Nähe der Kupferpads auszubreiten. Da Mn vorhanden ist, ist der intermetallische Bereich robuster und kann Fallstößen widerstehen.
ASN: Ist SACm® eine Drop-in-Lösung?
BSS: Ich gehe davon aus, dass Sie mit Drop-in-Lösung meinen, dass es in einen bestehenden Pb-freien Prozess ohne Änderung der Druck- und Reflow-Parameter eingesetzt werden kann. SACm® ist eine Drop-in-Lösung für SAC305 und SAC105. Außerdem bietet die Indium Corporation SACm® in einigen unserer beliebtesten Pastenformulierungen der Indium8.9-Serie an, so dass die Pastenleistung den Erwartungen entspricht.
ASN: Gibt es irgendwelche Herausforderungen bei der Herstellung von SACm®?
BSS: Indium ist ein Experte für die Herstellung vieler verschiedener Legierungen, und SACm® stellt bei der Legierung keine Probleme dar. Die Herstellung von Pulver ist jedoch ein anspruchsvoller Prozess, und es wurden einige spezielle Fertigungstechniken entwickelt, um hochwertiges SACm®-Pulver herzustellen. Da diese Legierung einige Elemente in geringen Mengen enthält, ist es wichtig, dass alle Elemente in dem Pulver vertreten sind. Die Entwicklung des Pulvers war sehr erfolgreich, und SACm® wird jetzt sowohl als Paste als auch als Kugeln angeboten.
DR: Alison, Brook, vielen Dank für Ihre Zeit und dieses interessante Gespräch.
Zum Wohl,
DR
