Усы олова не появятся при лёгком легировании индием

(Добавка индия снижает напряжения, которые вызывают рост усов. Indranath Dutta, директор Инженерной школы механики и материалов Государственного университета Вашингтона)

Рис. 1 Поверхность медной подложки с 3 мкм электролитическим покрытием после старения при температуре окружения на протяжении 1.5 месяцев. Просматриваются многочисленные усы олова.

Медные компоненты в электронных упаковках (например, выводные рамки, межсоединения, выводы интегральных схем и опрессовка выводов контактов) часто покрыты электролитическим оловом (Sn) для предотвращения потускнения и содействию последующей пайке. При длительном хранении или обслуживании вырастают длинные усы олова из этих оловянных покрытий, вызывая электрические замыкания между близлежащими проводниками, неся серьёзные риски в надёжности. Эта проблема особенно актуальна при долговременной эксплуатации и дефекты обнаружены во многих местах, включая космос, предприятия ядерной энергетики, автоэлектронику и военные электронные системы, приводя к повреждениям на миллионы долларов.

На протяжении последних 30 лет достигнут ряд успехов в уменьшении роста усов, включая добавки свинца, висмута, золота или германия, или последующей тепловой обработкой после покрытия. Эти достижения снизили рост усов в различной степени; однако, не устранили его. Со Находки детализированы в серии публикаций временем и термомеханическом воздействии усы продолжают расти.

По прошествии последних пяти лет исследователи Государственного университета Вашингтона разработали надёжный метод устранения, а не уменьшения, роста усов. Группа показала, что добавка от 4 до 10 весовых процентов индия к оловянному покрытию не образует усов ни при изотермическом старении, ни при циклическом термоударе.

Находки детализированы в серии публикаций, удостоенных выдачей патента США в декабре 2020 года на устранение усов олова добавкой индия. Принципиальное заключение патента в том, что чистое олово или паяемые бессвинцовые оловянные покрытия, содержащие от 3 до 20 весовых процентов индия невосприимчивы к росту усов, ни сразу после осаждения, ни после короткой, последующей тепловой обработки.

Рис. 2 Аналогичная подложка с оловом и 10% индия, состаренная при тех же условиях,
демонстрирует полное отсутствие усов.

Добавка от 8 до 10% индия полностью устраняет рост усов (например, без любой последующей тепловой обработки покрытия), несмотря на метод, которым введён индий. В противоположность, контрольные образцы чистого олова, нанесённого по меди, дают значительный (около 25 мкм) рост усов при аналогичных условиях. Когда введено только 4% индия, образуется только очень небольшое число коротких (около 2 мкм) усов на необработанном покрытии. Но рост усов полностью прекращён, если покрытие подвергнуто 30 минутной тепловой обработке при 160ºС после нанесения электролитического покрытия.

Была исследована причина устранения усов из-за добавки индия. Индий встраивается в поверхностную оксидную плёнку на олове, нарушая непрерывность в окисле, снимая напряжение в плёнке, способствующее росту усов. Кроме этого, индий встраивается в слой интерметаллического соединения на границе между оловянным покрытием и медью, образуя тройной сплав медь-олово-индий, понижая и далее напряжение в плёнке. Разработан метод со осаждения олова с индием из электролита метансульфоновой кислоты, который широко используется при электролитическом оловянировании. Этот метод позволяет со осаждать олово и индий только с небольшой модификацией используемой промышленной практики электролитического оловянирования.

Основное достижение добавки индия в том, что он полностью предотвращает рост усов в то время, как все другие, имеющиеся сейчас, успехи замедляют рост усов. Раз так, эта технология предлагает путь полного решения проблемы роста усов олова в электронике, использующей достижения без свинца.

Рис. 3 Значительное число усов олова выросло на элетролитическом покрытии оловом толщиной 1
мкм, а покрытие оловом с 10% индия невосприимчиво к росту усов.

*************************

Во взаимовыгодной работе обеспечена информационная поддержка, консультирование, сопровождение технологического процесса, правильная расстановка подобранного оборудования, его поставка, наладка, сервис и обеспечение базовыми и расходными материалами.

По возможному сотрудничеству в технологиях сборочно-монтажного производства, изготовления печатных плат и гальваники просьба использовать следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллинское шоссе, 206

Электронная почта: office@bmptek.ru

Тел. +7 (921) 895−1422, (812) 994−9502

Управляющий проекта — Алексей Леонов