Die intermetallische Wachstumsrate hängt überwiegend von der Temperatur ab

Leute,

in meinem letzten Beitrg habe ich erläutert, dass die bei Lötverfahren gebildeten intermetallischen Verbindungen (IMCs) entgegen der allgemeinen Ansicht nicht unbedingt spröde sein müssen. Ich fand einiges an Literatur, laut der die Ausfälle normalerweise an den Grenzflächen zwischen den IMCs, den IMCs und dem Kupfer oder Lot und häufig dem Massenlot selbst auftreten. Die Annahme, dass das IMC-Wachstum die Zuverlässigkeit eventuell nicht erheblich beeinträchtigt, wird ebenfalls von Studien seitens Lee et al belegt. Die Abbildung 1 der Abhandlung von Lee zeigt, dass eine Alterung von 250 Stunden bei 150 °C sich nicht erheblich auf die charakteristische Lebensdauer in Temperaturwechsleprüfungen auswirkt.

Abbildung 1. Eine Alterung von bis zu 250 Stunden bei 150 °C wirkte sich in der erwähnten Arbeit von Lee nicht erheblich auf die charakteristische Lebensdauer in Temperaturwechselprüfungen aus.

Es ist jedoch ratsam, die Dicke der IMCs auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

[1}[2}[3}Es stellt sich somit die Frage, wie schnell die IMCs bei gegebenen Temperaturen wachsen. {1]{2]{3]Eine Arbeit von Siewert, et al [i] gibt darauf Antwort. In seiner Arbeit stimmte Siewert früheren Studien zu, laut denen die Dicke von IMCs mit X=(kt)0,5 wächst, und fügte neue Daten hinzu, um Modellierungen anhand dieser Gleichung zu unterstützen. In dieser Gleichung ist X die IMC-Wachstumsstrecke, k ist eine von der Temperatur abhängige Konstante und t die Zeit. Man sollte annehmen, dass X stark von der Temperatur (T) abhängt, was tatsächlich der Fall ist. Anhand der Daten von Siewert konnte ich Werte für k als Funktion von T erzeugen und in einem Arrhenius-Diagramm abbilden. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2. Ein Arrhenius-Diagramm für k.

Dann nahm ich die Abbildung 2, um den Wert von K bei 70 °C zu erhalten, und zeichnete das IMC-Wachstum X in Mikrometern als Funktion der Zeit in Stunden. Das Ergebnis finden Sie auf der Abbildung 3.

Abbildung 3. IMC-Wachstum als Funktion der Zeit bei 70 °C.

Beachten Sie, dass ca. 40 Jahre erforderlich sind, um ein Wachstum von etwas mehr als 10 Mikrometern zu erhalten. Die Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse des IMC-Wachstums bei 200 °C. In diesem Fall sind nur 10 Jahre erforderlich, um ein Wachstum von 10 Mikrometern zu erreichen. Der Schritt von 70 auf 200 °C erzeugt somit einen Beschleunigungsfaktor der effektiven IMC-Wachstumsrate auf 10 Mikrometer von mehr als 30.000.

Abbildung 4. IMC-Wachstum als Funktion der Zeit bei 200 °C.

Dies sind theoretische Berechnungen der bei unterschiedlichen Temperaturen erfassten Daten. Lassen Sie uns nun prüfen, ob die Formeln auch im echten Leben funktionieren. In Rahmen einer anderen Arbeit [ii]von Ma, et al, alterte sein Team Lötstellen bei 125 °C während 120 Stunden. Die oben verwendeten Gleichungen würden unter diesen Bedingungen ein IMC-Wachstum von 2,2 Mikrometern vorhersagen. Laut der Abbildung 5 beträgt das Wachstum ca. 2 Mikrometer, was mit der berechneten Schätzung übereinstimmt.

Abbildung 5. Bilder des IMC-Wachstums bei 125 °C während 120 Stunden aus der Arbeit von Ma.

Obwohl IMCs also gar nicht so spröde sind, ist es ratsam, deren Wachstum zu begrenzen. Die Begrenzung der Exposition gegenüber einer Alterung bei sehr hohen Temperaturen ist daher empfehlenswert, sicherlich jedoch auch die Minimierung der Lötnacharbeiten, da das geschmolzene Lot ein sehr schnelles IMC-Wachstum fördert.

Danke,

Dr. Ron