Acționare către lipituri fără plumb

Implementarea acțiunilor legislative și de reglementare, pentru a restricționa utilizarea plumbului (Pb) și a compușilor de Pb, a determinat industria electronică să elimine Pb în materialele de lipit. În industria electronică, preocupările cu privire la utilizarea Pb provin din expunerea profesională, eliminarea ansamblurilor electronice care conțin Pb și deșeuri de Pb, derivate din procesele de fabricație. Au existat multe studii privind aliajele de lipit alternative fără plumb în ultimul deceniu (Bieler și Lee 2010; Puttlitz și Stalter 2004; Chidambaram și colab. 2011). Aceste aliaje de lipit pot fi clasificate în linii mari în (i) aliaje binare, (ii) ternare și (iii) aliaje cuaternare. Majoritatea acestor aliaje de lipit se bazează pe staniu (Sn) fiind constituentul primar sau principal. În următoarea secțiune „Caracteristicile aliajelor de lipit în vrac și îmbinărilor de lipit", caracteristicile acestor aliaje de lipit fără plumb vor fi prezentate mai detaliat.
The implementation of legislative and regulatory actions to restrict the use of lead (Pb) and Pb compounds has moved the electronics industry to do away with Pb in solder materials. In the electronics industry, the concerns over the use of Pb are from the occupational exposure, disposal of electronic assemblies which contain Pb and Pb waste derived from the manufacturing processes. There have been many studies on lead-free alternative solders in the past decade (Bieler and Lee 2010; Puttlitz and Stalter 2004; Chidambaram et al. 2011). These solder alloys can be broadly classified into (i) binary, (ii) ternary, and (iii) quaternary alloys. Majority of these solder alloys are based on tin (Sn) being the primary or major constituent. In the following section “Characteristics of Bulk Solder and Solder Joints,” the characteristics of these lead-free solder alloys will be presented in greater detail.

Aliaje de lipit fără plumb la temperatură înaltă

În ultimul deceniu, a existat un efort de cercetare important în dezvoltarea de aliaje de lipit fără plumb. Însă, o parte limitată dintre acestea este legată de aliaje de lipit, la temperaturi înalte, fără plumb. În domeniul aplicațiilor la temperatură înaltă (de exemplu, unelte de exploatare a petrolului și gazelor la adâncime, electronice sub capotă auto și electronice aerospațiale), există o nevoie urgentă de astfel de aliaje de lipit fără plumb la temperatură înaltă. Pentru a asigura un control eficient al procesului de fabricație și asamblare a componentelor lipite, intervalul de topire al aliajelor de lipit la temperatură înaltă a fost definit de industrie la 270–350oC (Chidambaram et al. 2010).
In the past decade, there has been momentous research effort in the development of lead-free solders. However, a limited portion of these is related to lead-free high temperature solder alloys. In the field of high-temperature applications (e.g., deep well oil and gas logging tools, automotive under the hood electronics and aerospace electronics), there is an urgent need for such high-temperature lead-free solder alloys. In order to ensure efficient process control of the manufacturing and assembly of the soldered components, the melting range of the high-temperature solder alloys has been defined by the industry as 270–350 C (Chidambaram et al. 2010).

Aliajele de lipit convenționale la temperatură înaltă utilizate includ (i) aliaje Pb–Sn care conțin o cantitate mare de Pb (Nousiainen și colab. 2006; Kim și colab. 2003), (ii) Pb–Ag, (iii) Sn–Sb, ( iv) Au–Sn și (v) aliaje Au–Si (Suganuma și colab. 2009; Zeng și colab. 2012). Tabelul 1 listează unele dintre aliajele de lipit tipice la temperatură înaltă, și anume aliaje de lipit cu Pb ridicat, aliaje de lipit pe bază de Au, aliaje de lipit Sn-Sb, aliaje de lipit pe bază de Zn și aliaje de lipit Bi-Ag.
The conventional high-temperature solders used include (i) Pb–Sn alloys which contain high amount of Pb (Nousiainen et al. 2006; Kim et al. 2003), (ii) Pb–Ag, (iii) Sn–Sb, (iv) Au–Sn, and (v) Au–Si alloys (Suganuma et al. 2009; Zeng et al. 2012). Table 1 lists some of the typical high-temperature solders, namely, high Pb solders, Au-based solders, Sn–Sb solders, Zn-based solders, and Bi–Ag solders.

Aliaje de lipit compozite

Cerințele funcționale și de serviciu mai stricte ale dispozitivelor electronice, împreună cu progresele concomitente în industria electronică către miniaturizarea dispozitivelor, au necesitat îmbinări de lipit având proprietăți mecanice, termice și electrice îmbunătățite. Căutarea dincolo de aliajele de lipit convenționale a condus la dezvoltarea unei noi generații de material de interconectare. O modalitate potențial viabilă de a crește în mod eficient capacitățile de temperatură de serviciu și stabilitatea termică a materialelor de lipit de bază este dezvoltarea aliajelor de lipit compozite. Aliajele de lipit compozite sunt aliaje cu armături adăugate intenționat.
Stricter functional and service requirements of electronic devices, coupled with concurrent advances in the electronics industry towards miniaturization of devices, have necessitated for solder joints having enhanced mechanical, thermal, and electrical properties. The search beyond the conventional solders has led to the development of a new generation of interconnection material. A potentially viable way to effectively increase the service temperature capabilities and thermal stability of the base solder materials is the development of composite solders. Composite solders are solder alloys with intentionally added reinforcements.

Până în prezent, cercetătorii au lucrat cu o varietate de materiale de umplutură de armare pentru a sintetiza aliaje de lipit compozite (Nai et al. 2006, 2008a, b, 2009; Guo et al. 2001; Guo 2007; Liu et al. 2008; Babaghorbani et al. 2009; ; Shen și Chan 2009; Geranmayeh și colab. 2011; Niranjani și colab. 2011; Han și colab. 2011, 2012; Tsao și colab. 2012; Han și colab. în presă). Materialele de umplutură utilizate pot fi clasificate în (i) particule metalice elementare, (ii) particule intermetalice sau intermetalice formate din particule elementare printr-o reacție cu Sn în timpul producției sau prin procese ulterioare de îmbătrânire și refluxare și (iii) faze care au o solubilitate scăzută în Sn sau sunt nereactive cu Sn. Materialele de umplutură utilizate au variat, de asemenea, în (i) dimensiune (de exemplu, microni, submicroni și nanoscală) și (ii) formă (de exemplu, particule, fire și nanotuburi).
To date, researchers have worked with a variety of reinforcement filler materials to synthesize composite solders (Nai et al. 2006, 2008a, b, 2009; Guo et al. 2001; Guo 2007; Liu et al. 2008; Babaghorbani et al. 2009; Shen and Chan 2009; Geranmayeh et al. 2011; Niranjani et al. 2011; Han et al. 2011, 2012; Tsao et al. 2012; Han et al. in press). The filler materials used can be classified into (i) elemental metallic particles, (ii) intermetallic particles or intermetallics formed from elemental particles through a reaction with Sn during manufacturing or by subsequent aging and reflow processes, and (iii) phases that have low solubility in Sn or are nonreactive with Sn. The filler materials used also varied in (i) size (e.g., micron, submicron, and nanoscale) and (ii) shape (e.g., particles, wires, and nanotubes).

Odată cu progresul nanotehnologiei în ultimii ani, sunt alese diferite armături de dimensiune nano pentru a sintetiza aliaje de lipit nano-compozite. Aceste aliaje de lipit nanocompozite sunt dezvoltate în primul rând pentru a îmbunătăți performanța de serviciu a îmbinărilor lipite, în special rezistența lor la fluaj și la oboseală termomecanică. Studiile au arătat că armăturile de dimensiune nano sunt preferate față de omologii lor de dimensiunea micronului, deoarece s-ar putea distribui mai eficient de-a lungul granițelor de granule Sn-Sn și, astfel, ar putea acționa ca obstacole pentru a restricționa mișcarea de dislocare și a limita alunecarea graniței (Shen și Chan 2009). În cazul aliajelor de lipit nanocompozite, alte îmbunătățiri raportate includ (Shen și Chan 2009) (i) reducerea densității aliajului de lipit, (ii) reducerea gradului de subrăcire, (iii) îmbunătățirea conductibilității electrice, (iv) îmbunătățirea umectabilității aliajului de lipit pe substraturi, (v) suprimarea creșterii intermetalicilor (în termeni de creștere a stratului de compus intermetalic interfacial și creșterea intermetalicilor în interiorul matricei aliajului de lipit), (vi) rafinarea microstructurii (în termeni de granule mai fine, și (vii) îmbunătățirea proprietăților mecanice (în termeni de microduritate, rezistență la curgere de 0,2 %, rezistență finală la tracțiune, rezistență la forfecare și rezistență la fluaj).
With the advancement of nanotechnology in recent years, various nano-size reinforcements are chosen to synthesize the nano-composite solders. These nanocomposite solders are developed primarily to enhance the service performance of solder joints, in particular their creep and thermomechanical fatigue resistances. Studies have shown that the nano-size reinforcements are preferred over their micron-size counterparts as they could more effectively distribute along the Sn–Sn grain boundaries and thus act as obstacles to restrict dislocation motion and limit grain boundary sliding (Shen and Chan 2009). In the case of nanocomposite solders, other reported enhancements include (Shen and Chan 2009) (i) reduction in solder’s density, (ii) reduction in the degree of undercooling, (iii) improvement of electrical conductivity, (iv) improvement of wettability of solders on substrates, (v) suppression of the growth of intermetallics (in terms of interfacial intermetallic compound layer growth and growth of intermetallics inside the solder matrix), (vi) refinement of microstructure (in terms of finer grains), and (vii) improvement of mechanical properties (in terms of microhardness, 0.2 % yield strength, ultimate tensile strength, shear strength, and creep resistance).

În general, aliajele de lipit compozite cu performanțe îmbunătățite au fost demonstrate pe scară largă, deși tehnologia este încă embrionară și există probleme tehnice care trebuie rezolvate înainte de adoptarea de către industrie. Cu toate acestea, există un interes puternic în industrie, în special modul în care producția de astfel de materiale ar putea fi adaptată în mod eficient din punct de vedere al costurilor la procesele din industrie din viața reală.
In general, composite solders with improved performance have been broadly demonstrated, although the technology is still embryonic and there are technical issues to be resolved before adoption by the industry. Nonetheless, there is keen industry interest, particularly how production of such materials might be cost-effectively adapted to real-life industry processes.