Intermetallic layer formation and influence in solder joints reliability

Dissertação de mestrado integrado em Materials Engineering

Over the years, industries have been experiencing an increasing tendency to reduce the use of nitrogen during the soldering process. Due to this fact, the electronics industry has been investing in the research of cheaper and alternative manufacturing process. This necessity became the motivation for this work, whose purpose is to study of the intermetallic layer formation during soldering processes, and therefore, analyze with accuracy the reliability of solder joints. The main focus of this study was the analysis of an oxidant atmosphere influence in solder joints reflowed. In the initial stage, a soldering study with an oxidant atmosphere was performed, and the influence of the atmosphere was analyze in specific parameters, such as, the thermal properties, solder joints microstructure, formation and growth of the intermetallic layer. From this analysis, the results revealed that different thermal cycles (heating rates, atmospheres, and maximum temperature) affect the melting temperatures and the thickness of the intermetallic layer. In the second stage, the effect of the oxidant atmosphere was studied in a Bosch Car Multimedia production line. The product, a PCB for a solar panel, was subjected to several inspections steps along the line, namely, solder printing inspection, automatic optical inspection and in circuit test. The results of these inspections showed that the oxidant atmosphere did not have a significant influence in the product reliability and all production was successful. However, it was important to analyze the solder joints in detail. For that, a visual inspection was performed using an optical microscope and microstructural characterization of the solder joints after the soldering process with different atmospheres were conducted. The experimental results indicate that different atmospheres during reflow soldering did not have influenced the formation and growth of the intermetallic layer. It was also performed an evaluation concerning wettability in a different component in order to study the influence of the oxidant atmosphere. The effect of oxidant atmosphere on contact angle and solder height indicated that the absence of the nitrogen during reflow soldering caused an oxidation of component side and reduce the solder wettability.

Ao longo dos anos as indústrias têm vindo a registar uma tendência crescente para reduzir o uso de azoto durante o processo de soldadura. Devido a este facto, a indústria eletrónica tem vindo a investigar processamentos mais baratos. Esta necessidade tornou-se a motivação para este trabalho, cujo objetivo centra-se no estudo da formação da camada intermetálica durante os processos de soldadura e, portanto, analisar com precisão a fiabilidade das juntas de soldadura. O foco principal deste estudo consistiu em analisar a influência da atmosfera oxidante durante a soldadura por Reflow nas juntas de soldadura. Na fase inicial, foi realizado um estudo da solda com uma atmosfera oxidante e na qual a influência foi estudada nos parâmetros como, as propriedades térmicas, microestrutura das juntas de soldadura e na formação e crescimento da camada intermetálica. A partir desta análise, os resultados revelaram que para diferentes ciclos térmicos (variação da velocidade de aquecimento, temperatura máxima e atmosfera) as temperaturas de fusão e as camadas intermetálicas foram afetadas. Na segunda fase foi estudado também o efeito de uma atmosfera oxidante numa linha de produção da Bosch Car Multimedia. O produto escolhido, uma placa de circuito impresso de um painel solar, foi submetido a várias etapas de inspeção ao longo da linha, ou seja, a inspeção da impressão de pasta, uma inspeção ótica automática às juntas de soldadura e um teste ao circuito da placa. Os resultados destas inspeções mostraram que o uso de uma atmosfera oxidante não teve uma influência significativa na fiabilidade uma vez que toda a produção foi realizada com sucesso. No entanto, é necessário realizar uma análise em detalhe às juntas de soldadura. Para tal, foi realizada uma inspeção visual e uma caracterização microestrutural das juntas de soldadura através do uso do microscópio ótico e eletrónico. Os resultados experimentais obtidos indicam que diferentes atmosferas durante a soldadura por Reflow não teve uma influência significativa no crescimento e formação da camada intermetálica. Foi também realizada uma avaliação da molhabilidade em diferentes componentes a fim de estudar a influência da atmosfera oxidante. O efeito da atmosfera oxidante sobre o ângulo de contacto da solda e altura mostrou que a ausência de azoto durante a soldadura por Reflow causou uma oxidação do lado do componente uma vez que molhabilidade reduziu.