Исследование растворения золотой проволоки в жидкой фазе припоя ПОИн50

Исследования растворения золота в жидких низкотемпературных припоях проводились в ряде работ. Рассматривались две принципиально различные методики оценки растворения: взвешиванием образцов и с помощью металлографических шлифов.

В первом случае золотую проволоку диаметром 1 мм, предварительно смоченную раствором канифоли, в течение 15 с погружали в расплавленный припой на глубину 20 мм, а затем с такой же скоростью извлекали из ванны. Взвешиванием определяли количество золота, перешедшего в расплав припоя. Эта методика не позволяет определить кинетику растворения, а дает возможность только сравнивать скорости растворения в зависимости от температуры и состава припоя. В другом случае растворение золотой проволоки диаметром 0,5 мм исследовали с помощью металлографических шлифов поперечных сечений. Предварительно проволоку длиной 38 мм погружали в расплав припоя на глубину 25 мм. Шлифы сечений проволоки изготавливались после выдержки образцов в припое в течение 10-120 с с интервалом 10 с.

При оценке растворения не упоминается о предварительном прогреве золотой проволоки до температуры расплава припоя с целью восстановления оксидов на ее поверхности. Учитывая большую скорость растворения золота и то, что исследование проводится при малом времени выдержки в припое, необходимо осуществлять предварительный нагрев образцов до температуры плавления припоя. Это время является соизмеримым с продолжительностью выдержки образца в расплаве припоя, поэтому невыполнение этой операции может привести к неправильной оценке растворения золота.

Следует отметить, что при монтаже внутренних межсоединений в ППИ наиболее широко применяется золотая проволока диаметром около 0,04 мм, а время пайки в зависимости от состава припоя составляет от 1 до 3 с.

Для получения достоверных результатов с учетом вышеизложенных недостатков использовалась установка для исследования растворения микропроволоки в жидких низкотемпературных припоях. На ней отработана методика исследования растворения золотой проволоки, которая позволила приблизить эксперимент к реальным условиям монтажа ППИ. Золотая проволока диаметром 0,04 мм разваривалась на алюминиевую рамку ультразвуковым способом. Выбор алюминия в качестве материала рамки обусловлен его несмачиваемостью низкотемпературными припоями и возможностью разварки по нему золотой проволоки ультразвуковым способом.

Золотая проволока предварительно отжигалась при температуре 250 °С в течение 10 мин для обеспечения качественной разварки на алюминиевую рамку. После разварки образцы обезжиривались в изопропиловом спирте и снова подвергались отжигу при температуре 400 °С в течение 20 мин для снятия внутренних напряжений.

Исследования растворения золотой проволоки в жидкой фазе низкотемпературных припоев проводились с использованием припоя ПОИн50. Объем жидкого припоя составлял 1,5 мм. Для флюсования золотой проволоки и с целью предохранения поверхности жидкого припоя от окисления использовался триэтаноламин, который имеет сравнительно высокую температуру кипения.

Эксперименты по растворению золотой поволоки проводились при различных температурах и времени выдержки образцов в расплаве припоя. На каждом режиме исследовались по три образца. На каждом образце рассматривалось пять сечений по длине золотой проволоки. Таким образом, количество замеров поперечных сечений проволоки на каждом режиме испытаний составляло 15.

Растворение золотой проволоки в припое ПОИн50 анализировалось при температурах расплава 160, 190 и 220 °С. Время контактирования с жидким припоем изменялось от 0,3 до 4 с, что соответствовало режимам пайки золотой проволоки к контактным площадкам ППИ.

Для исследований растворения золотой проволоки в припое рамка с проволокой заливалась эпоксидной смолой, а затем изготовлялся шлиф поперечного сечения проволоки. Под микроскопом при увеличении 1000^´ проводился анализ формы и размеров золотой проволоки после соответствующих испытаний.

На основании результатов эксперимента построен график растворения золотой проволоки в припое ПОИн50 в зависимости от температуры расплава и времени выдержки в расплаве (рис. 5.9). Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о допустимых температурах и временных интервалах использования данного припоя при пайке золотой проволоки.

Припой ПОИн50 при температурах ниже 160 °С не обладает достаточной смачиваемостью золота. При температуре 160 °С наблюдается незначительное растворение золотой проволоки без образования интерметаллидов по границе спая. При температуре 190 °С происходит частичное растворение проволоки и по границе спая наблюдается образование интерметаллидов. Для получения качественных соединений и повышения производительности пайки припоем ПОИн50 рекомендуется температура пайки более 160 °С с одновременным сокращением времени выдержки в расплаве.

Рис. 5.9. Зависимость растворения золотой проволоки диаметром 0,04 мм от времени выдержки в припое ПОИн50 при различных температурах расплава, °С: 1 – 160; 2 – 190; 3 – 220