Reflow soldering in an oxidant atmosphere

Dissertação de mestrado integrado em Materials Engineering

Reflow soldering process is the most used process in industry to solder the Printed Circuit Boards (PCBs). To ensure a good solder joint reliability, this process are normally made under an inert atmosphere like Nitrogen (N2), in order to reduce soldering defects. Since Nitrogen is an expensive element, it is intended to eliminate it from the process. This way, it is intended to the study of alternatives to reduce solder oxidation, in order to eliminate or reduce N2 spending. These alternatives undergo by testing the soldering process in an atmosphere of Air, to evaluate the process window and consequences of soldering without Nitrogen. It is also study the influence of adding Nickel particles on the PCBs surface. There was tested a real product (SolarA) at the Bosch Reflow production line, were used the standard process parameters, and made some tests at the University of Minho. The principal variables studied were the atmosphere, and the addition of Nickel particles on the PCBs/substrates before the soldering process. It was also studied the influence of temperature, and solders used, SAC405 and SAC305. From the inspection and characterization techniques were evaluate the presence of soldering defects, the solder joints geometry and constitution, intermetallic layer, solders melting temperatures, and the presence and morphology of the Nickel particles after soldering. The results obtained reveal that it is possible to apply one Reflow soldering in an Air atmosphere, keeping the standard requirements, and being possible to accept the product. Soldering in an Air atmosphere, according to the automatic inspections, no errors were detected in the PCBs but only pseudo-errors that tripled. The wetting and spreading seems to reduce, and the intermetallic does not present large differences, being in accord with the Bosch requirements. The presence of Nickel particles at the Bosch tests seems to not have influence in the results. From the university tests, were verified that soldering in Air does not influence the melting temperatures of SAC405 and SAC305. With Ni particles addition it was possible soldering at 220ºC, while without Ni it was only possible to solder at 240ºC. The intermetallic thickness seems to increase with the temperature increasing. The Nickel particles are located inside the intermetallic layer, reacting with the Cu-Sn IMC and solder, decreasing intermetallic thickness, reducing the copper pad consumption.

O processo de soldadura Reflow é mais usado na indústria para soldar as Placas de circuito Impresso (PCI). Para garantir a fiabilidade da junta de solda, este processo é efetuado normalmente numa atmosfera de Azoto (N2), para reduzir os defeitos de soldadura . Sendo o Azoto um elemento caro, é pretendido eliminá-lo do processo. Desta forma, pretende-se estudar alternativas para reduzir a oxidação, a fim de eliminar os gastos de N2. Estas alternativas passam por testar soldar numa atmosfera de ar, de forma a avaliar a janela de processo e as consequências de soldar sem Azoto. Também é estudado a influência de adicionar partículas de Níquel na superfície das PCIs. Foi testado um produto real (SolarA) numa linha de produção da Bosch, utilizando os parâmetros de processo standard, e realizados teste na Universidade do Minho. As variáveis principais testadas foram a atmosfera, e a adição de partículas de Níquel nas PCIs/substratos, antes de soldar. Também foi estudada a influência da temperatura e das soldas usadas, SAC405 e SAC305. A partir das técnicas de inspeção e caracterização, foi avaliada a presença de defeitos, a geometria e constituição das juntas de soldadura, a camada intermetálica, as temperaturas de fusão, e a presença e morfologia das partículas de Níquel após a soldadura . Os resultados obtidos revelaram ser possível soldar uma vez por Reflow numa atmosfera de ar, mantendo-se os requisitos exigidos, sendo possível a aceitação do produto. Soldar numa atmosfera de ar, através das técnicas de inspeção automáticas, nenhum erro foi detetado nas PCIs, mas apenas pseudoerros, que triplicaram. A molhabilidade e espalhamento parecem reduzir, e a intermetálica não apresente grandes diferenças, obedecendo aos requisitos Bosch. A presença de partículas de Níquel, nos testes da Bosch, parecem não influenciar os resultados. Através dos testes da universidade, verificou-se que soldar em ar, não influenciou as temperaturas de fusão da SAC405 e SAC305. Com adição de particulas Ni foi possível soldar a 220ºC enquanto que sem Ni apenas foi possível soldar a 240ºC. A espessura da intermetálica parece aumentar com o aumento da temperatura. As partículas de Níquel encontram-se localizadas dentro da camada intermetálica, reagindo com o composto intermetálico Cu-Sn e com a solda, reduzindo a espessura da camada intermetálica, reduzindo assim o consumo do pad de cobre.