Effect of oxidation and mechanical damage of PCBs with OSP finish on their solderability with SAC305 alloy

• Autorzy: Kudyba A. , Siewiorek A. , Sobczak N. , Turalska P.

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2015.23

Warianty tytułu

PL

Wpływ utleniania i uszkodzeń mechanicznych powierzchni płytek PCB z pokryciem OSP na ich lutowność stopem SAC305

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The paper focuses on the experimental investigation of wetting behavior and solderability of commercial lead-free solder on Printed Circuit Board (PCB) covered with an OSP finish (Organic Surface Protectant) characterized by physical (mechanically scratched) and/or chemical (oxidized in air at 260°C for 1 hour) inhomogeneity of the surface finish. The influence of the quality of the PCB finish on the maximum wetting force F_max, wetting time t₀, the contact angle θ, and the parameters characterizing solderability, were studied. The tests were performed by a wetting balance method with SAC305 solder (Sn-3.0Ag-0.5Cu, wt. %) and commercial flux (EF2200) using MENISCO ST88 apparatus allowing direct measurement of the wetting force F_r and wetting time t₀ as well as calculation of the contact angle θ values. The measurements were made at a temperature of 260°C for a contact time of 3 s. For comparison, the tests were also performed on PCBs in delivery state showing average F_max = 0.9 mN, t₀ = 0.58 s and θ = 57°. The results have shown that both oxidation and mechanical damage of the OSP finish have a significant worsening effect on solderability. Scratched OSP finish had an average F_max = -1.03 mN and θ = 78°. Such surfaces were non-wettable with corresponding values of F_max = -4.7 mN and θ = 120° for oxidized samples and F_max = -4.04 mN and θ = 111° for those scratched and oxidized.

PL

W pracy badano zwilżalność i lutowność płytek drukowanych (PCB) z pokryciem OSP, które charakteryzowały się niejednorodnością występującą na powierzchni: były mechanicznie porysowane i/lub utlenione (na powietrzu, w temperaturze 260°C w czasie 1 godziny). Do badań stosowano komercyjny stop bezołowiowy. Określono wpływ jakości pokrycia na wartość maksymalnej siły zwilżania F_max, czas zwilżania t₀ i kąt zwilżania θ, czyli parametrów charakteryzujących lutowność. Badania prowadzono metodą zanurzeniową (meniskograficzną) na aparaturze ST88 MENISCO, która umożliwia bezpośredni pomiar siły zwilżania F_r i czasu zwilżania t₀, jak również obliczenie wartości kąta zwilżania θ. Pomiary przeprowadzono w temperaturze 260°C w czasie 3 s. Dla porównania testy przeprowadzono również na płytkach „w stanie dostawy”, uzyskując średnią F_max = 0.9 mN, t₀ = 0,58 s i θ = 57°. Uzyskane wyniki świadczą, że zarówno utlenianie powierzchni, jak i uszkodzenia mechaniczne pokrycia OSP powodują znaczące pogorszenie lutowości płytek PCB. Dla pokrycia OSP, które było porysowane, uzyskano średnio F_max = -1,03 mN i θ = 78°. Dla próbek utlenionych mierzone wartości wyniosły: F_max = -4,7 mN i θ = 120°, natomiast dla próbek porysowanych i utlenionych: F_max = -4,04 mN i θ = 111°.

Słowa kluczowe

EN

surfaces; coatings; electronic characterization; defects; surface properties; solderability; wetting balance test

PL

powłoki; wady; właściwości powierzchni; lutowność; badania meniskograficzne

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 55, nr 4
• Strony: 59--66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kudyba A.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Siewiorek A.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Sobczak N.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków, Instytut Transportu Samochodowego, ul. Jagiellońska 80, 03-301 Warszawa

autor

Turalska P.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

Bibliografia

• 1. Sobczak, N., Pietrzak, K., Kudyba, A., Nowak, R., Sobczak, J., Wojciechowski, A. (2007). ATLAS of microstructures of solder alloys and solder/metal interfaces, Part I: Optical Microscopy. Warsaw, Cracow: Motor Transport Institute, Foundry Research Institute.
• 2. Schmetteree, C., Ipser, H., Pearce, J. (2008). ELFNET COST Action 531 – Handbook of Properties of SAC Solder and Joints. ISBN 978-80-86292-26-7.
• 3. Bacior, M., Siewiorek, A., Kudyba, A., Sobczak, N. (2013). Ionic contamination test on printed circuit boards. Transactions of the Foundry Research Institute, 53(1), 13−25.
• 4. Siewiorek, A., Kudyba, A., Sobczak, N., Homa, M., Huber, Z., Adamek, Z., Wojewoda-Budka, J. (2013). Effects of PCB substrate surface finish and flux on solderability of lead-free SAC305 alloy. Journal of Materials Engineering and Performance, 22(8), 2247−2252.
• 5. Siewiorek, A., Kudyba, A., Homa, M., Sobczak, N. (2012). Effect of surface coating and flux type on the solderability of PCB by Lead-Free SAC305 Alloy. Transactions of Foundry Research Institute, 52(3), 77−91.
• 6. French standard NF A 89400 P, Brasage tendre, Mesure de brasabilité au méniscographe, France. (1991).
• 7. Sobczak, N., Kudyba, A., Nowak, R., Radziwill, W., Pietrzak, K. (2007). Factors affecting wettability and bond strength of solder joint couples. Pure and Applied Chemistry, 79(10), 1755−1769.
• 8. Ramirez, M., Henneken, L., Virtanen, S. (2011). Oxidation kinetics of thin copper films and wetting behaviour of copper and Organic Solderability Preservatives (OSP) with lead-free solder. Applied Surface Science, 257(15), 6481−6488.
• 9. Kumar Gain, A., Chan, Y. C. (2012). The influence of small amount of Al and Ni nano-particles on the microstructure, kinetics and hardness of Sn-Ag-Cu solder on OSP-Cu pads. Intermetallics, 29(October 2012), 48−55.
• 10. Yoon, J. W., Noh, B. I., Lee, Y. H., Lee, H. S., Jung, S. B. (2008). Effects of isothermal aging and temperaturehumidity treatment of substrate on joint reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu/OSP-finished Cu CSP solder joint. Microelectronics Reliability, 48(11−12), 1864−1874.
• 11. Chavali, S., Singh, Y., Subbarayan, G., Bansal, A., Ahmad, M. (2013). Effect of pad surface finish and reflow cooling rate on the microstructure and the mechanical behavior of SnAgCu solder alloys. Microelectronics Reliability, 53(6), 892−898.
• 12. Kim, J. H., Lee, Y. Ch., Lee, S. M., Joung, S. B. (2013). Effect of surface finishes on electromigration reliability in eutectic Sn-58Bi solder joints. Microelecronic Engineering, 120(May 2013), 77−84.
• 13. Kim, J. M., Jeong, M. H., Yoo, S., Lee, Ch. W., Park Y. B. (2012). Effects of surface finishes and loading speeds on shear strength of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints. Microelecronic Engineering, 89(January 2012), 55−57.
• 14. Wang, J. X., Xue, S. B., Han, Z. J. (2008). Study on Wettability of Sn-Ag-Cu Solder and Mechanical Properties of Soldered Joints. Journal of Materials Engineering, (9), 5−8.
• 15. Martorano, K. M., Martorano M. A., Brandi, S. D. (2009). Optimal Conditions for Wetting Balance test. Journal of Materials Processing Technology, 209(6), 3089−3095.
• 16. ST88 Wettability Tester–User’s Guide. Issue 1. (2010). France: Metronelec.
• 17. Groover, M. P. (2000). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials Processes and Systems. New York: Wiley.
• 18. http://alpha.alent.com/Products/Liquid-Soldering-Flux/EF-2202.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.