Lödtekniken är tusentals år gammal, men den är fortfarande en viktig komponent i monteringen av elektronik, utan vilken ingen av våra avancerade elektroniska enheter fungerar. Även om lödningsprocessen i modern tid ser vissa subtiliteter, utförs lödning fortfarande genom att värma metallegeringen till smält tillstånd och applicera värme till metallens kontaktpunkter för att bilda en ledande lödfog. För dagens mest populära tenn-silver-koppar (SAC305) lödmetallegering är denna bearbetningstemperatur mellan 240 ° C och 260 ° C, och detta är ett stort problem.
Designingenjörer som utvecklar nästa generations elektroniska produkter drivs av konsumenternas efterfrågan på nya lösningar som inte passar befintliga format och har mindre och rikare funktioner. För att möta denna efterfrågan krävs nya material som är tunnare, lättare och mer flexibla, och mer sammansatta konstruktioner med ökande miniatyrisering och integration. Tyvärr är sådana nya produkter inte helt kompatibla med högtemperaturlödning, men de behöver fortfarande fördelarna med helt metalliska ledande lödfogar för att fungera. Se IDTechEx-rapporten för mer information: Flexibel, tryckt och organisk elektronik 2020-2030: Forecasts, Technologies, Markets.
SAFI-Tech har utvecklat en ny Supercooled Soldering™-teknologi med hjälp av SAC305, som kan lösa detta problem. Överkylning är ett fenomen där alla material upplever en fastfasövergång från flytande till fast fas. SAFI-Techs mikrokapslingsprocess skapar en ny formfaktor inuti nanofilmskalet som stabiliserar den underkylda vätskefasen i SAC305, vilket utökar fördelarna med denna vätskefas till temperaturer som är mycket lägre än legeringens normala smältpunkt (se figur 1). SAC305 kan nu appliceras i detta utökade vätskeområde för att bilda helmetallledande lödfogar vid den temperatur som är mest lämplig för varje produktdesign (se figur 2).
Denna nya lödsammankopplingsteknik förhindrar termiska skador på komponenter och material, samt minskar kvalitetsproblem orsakade av termiska expansionskoefficienter. SAFI-Tech superkylda flytande metallmikrokapslar ser ut som ett fint pulver som kan införlivas i en typisk lödpastaformel. Eftersom metallkärnan inuti mikrokapslarna är en vätska kan den rinna ut efter att ha flyttats över skalet, väta, binda och stelna och bilda en lödfog. I likhet med befintliga lödpastor kan denna verkan ges av en ström av lod som löser upp skalet och släpper den flytande metallen vid måltemperaturen för att ansluta återkopplingspunkterna (se figur 3).
SAFI-Tech demonstrerar denna superkylda lödteknik med hjälp av SAC305 genom att lägga till ett BGA integrerat kretspaket till ett tryckt kretskort med låg temperatur. När storleken på BGA-paketet ökar med större integration, blir de integrerade kretskomponenterna mer känsliga för den dynamiska böjningen som orsakas av högtemperaturlödningsprocessen, vilket orsakar termiska kopplingsdefekter. För denna demonstration utvecklade SAFI-Tech en prototyppastaformel och en aktiveringstemperatur på 180 °C, ett flöde över normala SAC305-återflödestemperaturer på 60 °C. Detta är samma område som lågtemperaturlödning sker med BiSn-legeringar. Demonstrationen organiserades enligt följande:
Testbräda
- FR4 PCB
- ImmAg ytfinish
- Elektriska testkontakter
Utskriftsvillkor
- Stålklämma med stålstencil
- Diafragma med en diameter på 480 µm
- tjocklek 4 mil
Figurerna 4 och 5 visar utskriftsegenskaperna för pastan och stencilpastan på BGA-rutnätsmodellen på kretskort.
Tvärsnittsbilden av BGA-komponenten efter överkyld lödning visar en bra bindning mellan BGA SAC305 lödkulan och SAFI-Techs superkylda SAC305 lod (se figur 6). BGA-kortenhet skickades till STI Electronics för initial analys, där alla BGA-föreningar förblev ledande efter 1000 cykler av värmeslag (-40 ° C till 110 ° C) utan några fel.
Vid denna temperatur är det särskilt intressant att skiktet av den önskade Cu6Sn5 intermetalliska föreningen (IMC) bildad med SAC305 är klart (se figur 7). Intermetalliska fogar spelar en viktig roll i den mekaniska styrkan och tillförlitligheten hos lödfogar. I allmänhet föredras ett IMC-skikt på mindre än 4 µm, och ett överkylt IMC-lödningsskikt mättes till 2,5 µm (se figur 8). Detta är mycket likt det typiska IMC-skiktet som bildas med SAC305 vid normala toppåterflödestemperaturer.
SAFI-Tech fortsätter att arbeta med underkyld SAC305 för att uppnå ett underkylt flytande tillstånd för denna legering nära 0 °C (se figur 9). Dessutom är SAFI-Techs patenterade och patenterade legering av mikrokapslingsteknik agnostisk. Ytterligare utvecklingar kan inkludera andra legeringar som är viktiga för industrin, som är ännu mer användbara när de appliceras med hjälp av superkyld lödteknik.
SAFI-Tech, Inc. 2016 grundades företaget av Prof. Martin Thuo och Dr. Grundat av Ian Tevis. SAFI-Tech ger ett nytt helt metall värmefritt paradigm för ledande interaktions- och metalliseringsteknologier för nästa evolution inom elektronik. “SAFI” betyder ren eller ren och leder företaget i dess ansträngningar att marknadsföra ny teknik som har en positiv ekonomisk och social påverkan.
Källa: SAFI-Tech
Översta bilden: Pixabay
