Proprietà delle leghe per brasatura

Bagnabilità

Una caratteristica fondamentale per ottenere un buon legame metallurgico tra due metalli è la bagnabilità, cioè la capacità della lega brasante liquida di fluire e diffondersi durante il processo di brasatura. Una misura della bagnabilità è l’angolo di contatto formato alla giunzione di un solido e un liquido in un particolare ambiente, come mostrato in fig. 5.1.

Fig. 5.1: Angolo di contatto

In generale, se l’angolo di contatto si trova tra 0 e 90° il sistema bagna la superficie, se l’angolo è tra 90° e 180° il sistema non bagna la superficie. L’angolo di contatto si determina da un bilancio delle tensioni superficiali al giunto ternario, in accordo con l’equazione di Young-Dupre:

g_gs = g_ls + g_glcosq

dove g_gs è la tensione superficiale del solido in un particolare ambiente, g_ls è l’energia dell’interfaccia tra solido e liquido e g_gl è la tensione superficiale del liquido nello stesso ambiente.

In termini termodinamici, una buona bagnabilità si ha se c’è una diminuzione netta dell’energia libera totale quando si forma la nuova interfaccia tra la lega brasante e la superficie metallica, cioè se l’energia superficiale della lega brasante diminuisce nel formare la nuova interfaccia.La tensione superficiale della lega fusa è fondamentale nell’assemblaggio dei circuiti stampati. Essa determina il flusso capillare nei fori delle schede e il raggio di curvatura naturale dei giunti. La tensione superficiale o energia superficiale è una grandezza termodinamica definita come lavoro necessario per aumentare isotermicamente l’area superficiale di un liquido. Nei processi tecnologici l’equilibrio termico si raggiunge raramente, poiché la brasatura si completa prima di raggiungere le condizioni di equilibrio termodinamico. Inoltre la tensione superficiale è influenzata anche dalla dissoluzione del substrato nella lega brasante fusa, dall’ossidazione del flusso, dall’ambiente in cui si effettua la brasatura e da altri fattori. Alcuni studi hanno dimostrato che la tensione superficiale varia con la temperatura, la composizione del flusso e le interazioni tra lega brasante e substrato. Per questi motivi la tensione superficiale delle leghe brasanti non è conosciuta con precisione. In generale la tensione superficiale tende ad essere minore in aria che in atmosfera inerte, poiché l’ossidazione abbassa l’energia libera della superficie liquida. Come si vede dalla tabella 5.1, questo è verificato per tutte le leghe a parte la Sn-9Zn e la lega Sn-0.7Cu.

Tab. 5.1: Valori di tensione superficiale per alcune leghe per brasatura misurata in aria e in azoto.

La maggior parte delle leghe senza Pb mostra una bagnabilità inferiore alla lega Pb-Sn quasi-eutettica fatta eccezione per la lega Bi-42Sn. L’aggiunta di Ag promuove leggermente la bagnabilità sul rame, mentre l’aggiunta di Zn la peggiora, a causa dell’alta attività di questo elemento e della sua tendenza all’ossidazione. Recentemente sono stati migliorati i flussi per la lega Cu-Zn, con un conseguente aumento della bagnabilità.

La tabella 5.2 mostra i valori dell’angolo di contatto misurato per alcune leghe. Purtroppo i risultati sono ottenuti utilizzando diversi flussi e diverse condizioni e non sono confrontabili. Tuttavia possono fornire alcune indicazioni di massima sulla bagnabilità di una lega. La lega Sn-9Zn mostra il comportamento peggiore, mentre l’angolo più basso si ha con la lega Sn-10Bi-0.8Cu.

	Angolo di contatto (°)	Temperatura (°C)	Note
Bi-42Sn	43+/-8	195	Substrato di Cu, flusso: A611
Sn-9Zn			Bassa bagnabilità
Sn-5Sb	37	260
Sn-50In	63+/-6	215	Substrato di Cu, flusso: A611
Sn-4Cu-0.5Ag	34<x<51		Flussi: A611, A260HF, B2508
Sn-10Bi-0.8Cu	32	250	Flusso: Kester #197
Sn-1Ag-1Sb	38	250	Flusso: Kester #197

Tab. 5.2: Valori dell’angolo di contatto per alcune leghe

Microstruttura interfacciale

Nella maggior parte dei casi all’interfaccia tra substrato e lega brasante si formano dei composti intermetallici. La crescita di intermetallici degrada l’integrità dell’interfaccia a causa della fragilità di questi composti e delle differenze nelle proprietà fisiche come coefficiente di espansione termica e modulo elastico. Perciò è necessario controllare la microstruttura interfacciale per ottimizzare le proprietà del giunto.

Le reazioni all’interfaccia tra una lega per brasatura a base di Sn e una pista di rame portano alla formazione di composti intermetallici Sn-Cu. Al di sotto dei 350°C i due prodotti principali sono Cu₆Sn₅ e Cu₃Sn. La maggior parte delle leghe a base di Sn forma due strati di questi intermetallici all’interfaccia tra lega e rame. Lo strato di Cu₃Sn verso il rame è più sottile di quello di Cu₆Sn₅ verso la lega brasante. Questo secondo strato ha un’interfaccia irregolare verso la lega Sn-Ag, come si vede dalla fig. 5.2.

Fig. 5.2: Microstruttura all’interfaccia tra una pista di rame e una lega per brasatura Sn-Ag. Sono visibili gli strati composti dai due intermetallici Cu₃Sn e Cu₆Sn₅.

Nella brasatura di componenti elettronici sui circuiti stampati si utilizzano diversi tipi di finiture superficiali. Queste finiture possono avere una forte influenza sulla bagnabilità e sulle reazioni interfacciali. Tre di questi sistemi di finitura sono i sistemi Au/Ni, Pd/Ni e Au/Pd/Ni. Poiché lo strato di oro è di solito molto sottile (meno di 1mm di spessore), e l’oro può dissolversi velocemente nello stagno, il Ni e il Pd hanno il ruolo principale all’interno della reazione. Per quanto riguarda la lega, lo stagno ha il ruolo predominante, ad esclusione delle leghe contenenti Zn. Perciò all’interfaccia tra finitura superficiale e lega brasante si ha la formazione di composti intermetallici Sn-Ni e Sn-Pd.

La presenza dei composti intermetallici indebolisce l’interfaccia. Come si vede dalla fig. 5.3, la frattura si propaga lungo il piano di Cu₆Sn₅ e la presenza di microcricche in questo strato favorisce la propagazione della cricca di frattura.

Fig. 5.3: Frattura all’interfaccia tra una lega eutettica Sn-Ag e il substrato di rame (SEM)

La cinetica di crescita dei piani intermetallici all’interfaccia tra lega brasante e substrato di rame è stata studiata a fondo. Se la crescita del piano dipende dalla diffusione di un elemento nel sistema solido e lo strato di reazione è formato da una sola fase, la crescita dello strato può essere espressa dall’equazione

dove X è lo spessore dello strato di reazione al tempo t e alla temperatura T e X₀ è lo spessore iniziale a cui lo strato raggiunge la temperatura T. Q ed A sono l’energia di attivazione per la diffusione e una costante che dipende dal materiale, R è la costante universale dei gas e n è l’esponente del tempo che vale circa 0.5. Nella maggior parte dei casi l’equazione è valida poiché la diffusione dello Sn gioca un ruolo fondamentale nella formazione degli strati di reazione, anche se questi strati sono bifasici (fig. 5.4).

Fig. 5.4: Cinetica di crescita dello strato di intermetallici Cu-Sn (Cu₆Sn₅ + Cu₃Sn) a diverse temperature.

Creep

Il creep è una misura del tempo impiegato da un materiale per arrivare a rottura quando è sottoposto a un carico costante minore del carico di rottura ad una temperatura elevata. Esso coinvolge meccanismi di deformazione che richiedono meccanismi di diffusione attivati termicamente. Perciò il creep diventa critico quando la temperatura supera la metà della temperatura assoluta di fusione del materiale. Poiché per molte leghe per brasatura la temperatura ambiente è al di sopra di questa soglia, il creep è da considerarsi come il più importante meccanismo di deformazione di queste leghe.

La curva di fig. 5.5 rappresenta il comportamento a creep di una lega per brasatura: è rappresentata la deformazione della lega in funzione del tempo. E’ possibile distinguere tre regioni, chiamate creep primario, secondario e terziario. Nella prima regione il riarrangiamento degli atomi e l’orientazione delle dislocazioni e dei difetti nella struttura sono rapidi finché non è avvenuta la massima riorientazione per il carico specifico (tratto OP). Questo si raggiunge di solito in un tempo relativamente breve. A questo punto si raggiunge uno stato stazionario: ogni cambiamento nel metallo che accompagna la riorientazione dei cristalli richiede energie maggiori, cioè la velocità di deformazione è ridotta rispetto alla prima regione. Una volta raggiunto questo stato stazionario (creep secondario) si ha una velocità di deformazione costante per un intervallo di tempo abbastanza lungo (tratto PQ). Quando il giunto ha raggiunto una deformazione critica, arriva poi rapidamente alla rottura (tratto QR).

Fig. 5.5: curva di creep

La regione di creep secondario è la più rilevante dal punto di vista ingegneristico. In questa regione la velocità di creep è minima ed è praticamente costante. La relazione tra velocità di deformazione e il carico nella regione di creep secondario si può esprimere con l’equazione:

dove s e de/dt sono il carico e la velocità di deformazione, A e n sono costanti del materiale. Q, T ed R sono rispettivamente l’energia di attivazione, la temperatura e la costante universale dei gas.

Fatica

La fatica, una misura della resistenza a frattura di un componente sottoposto a un carico ciclico, può essere isotermica o termica. Si ha fatica isotermica quando si impone al componente una deformazione ciclica a temperatura costante. La fatica termica è invece una condizione in cui avviene una deformazione ciclica dovuta a un cambiamento di temperatura, a causa della giunzione tra due materiali con diverso coefficiente di espansione termica. La fatica nei giunti brasati porta alla formazione e alla propagazione di cricche; la vita a fatica di un giunto brasato è determinata dal numero di cicli di sforzo sopportati prima di avere formazione e propagazione di cricche. Una frattura per fatica può avvenire anche se lo sforzo è molto minore del carico di snervamento, a causa di difetti e irregolarità nella microstruttura che possono fornire dei siti privilegiati per formazione di cricche.

La fatica meccanica nelle leghe a base di Sn può essere espressa dall’equazione empirica di Coffin-Manson:

in cui De_p e N sono l’ampiezza della deformazione plastica e la vita a fatica e a e C sono costanti del materiale. Tutte le leghe per brasatura a base di Sn seguono questa legge. Per queste leghe il valore di a è vicino a 0.5 sia nelle leghe senza Pb che nelle leghe Pb-Sn, il che sta a indicare il meccanismo di rottura per fatica è lo stesso.

La figura 5.6 mostra la progressione di una cricca per fatica in un giunto brasato “pin through hole”. Poiché i giunti brasati in elettronica non devono sopportare carichi elevati, ma spesso sono sottoposti a dei cicli termici di considerevole entità, è soprattutto la fatica termica a rappresentare un pericolo per l’integrità dei giunti.

Fig. 5.6: Progressione di una cricca per fatica in un giunto brasato “pin through hole”

Proprietà termiche

Un tipico assemblato microelettronico è costituito da una grande varietà di materiali, soprattutto metalli, polimeri, compositi a base di polimeri e qualche volta ceramici. Durante la sua vita di servizio un dispositivo viene sottoposto a dei cicli termici poiché ogni volta che il dispositivo viene alimentato esso genera calore. Sul chip di silicio la temperatura può arrivare localmente a 300°C. Poiché i componenti in un assemblato hanno diversi coefficienti di espansione termica e la dissipazione del calore richiede un certo tempo sono presenti degli sforzi termici. In tabella 5.3 sono elencati i coefficienti di espansione termica per alcune leghe per brasatura. Sono elencati anche i CTE di Si, Cu, resine epossidiche (usate comunemente come materiale di incapsulamento) e FR-4 (il materiale più comune con cui sono fatti i circuiti stampati).

Tab. 5.3: coefficiente di espansione termica di alcune leghe per brasatura

Il calore generato dai dispositivi deve essere dissipato per permettere al dispositivo di poter continuare ad operare in maniera adeguata. Il cammino principale per la dissipazione del calore è attraverso il materiale di incapsulamento. Tuttavia, anche i giunti brasati costituiscono un cammino per la dissipazione del calore. Nelle interconnessioni a “ball grid array” è una pratica comune inserire sfere di lega brasante “termiche”, che non svolgono funzioni elettriche, ma servono solamente come cammino per la dissipazione termica. Alcuni dati di conducibilità termica sono elencati in Tab. 5.4.

Tab. 5.4: conducibilità termica di alcune leghe per brasatura

Proprietà elettriche

Poiché attraverso il giunto brasato deve fluire corrente elettrica, è necessario valutare la resistività delle leghe utilizzate per la brasatura. In tab. 5.5 sono riportati i valori delle resistività di alcune leghe. La resistività elettrica della lega Bi-Sn è considerevolmente più alta di quella delle altre leghe, che hanno resistività molto simili. Questo è causato dall’alta resistività del Bi elementare, che è di 115mW cm, mentre quella dello Sn è solamente 10.1mW cm.

Tab. 5.5: resistività di alcune leghe per brasatura.

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