Caraterização das juntas de soldadura de componentes eletrónicos numa PCI

Abstract

O processo de soldadura de componentes eletrónicos nas Placas de Circuito Impresso (PCI) envolve vários fatores de grande importância que afetam a performance final do sistema. Numa PCI há uma distribuição heterogénea de componentes no espaço. A presença de componentes com composição e massa diferentes faz com que, durante o processo de soldadura, haja um gradiente de temperaturas ao longo da PCI. Desta forma o ciclo térmico de soldadura (aquecimento e arrefecimento) varia ao longo da placa e, consequentemente, leva a alterações das características finais das juntas de soldadura. É necessário atingir a temperatura correta durante um determinado tempo para que se obtenham camadas intermetálicas adequadas entre os componentes, a solda e os pads, que permitam uma boa junta. Nesta dissertação pretende-se caracterizar as juntas de soldadura em termos morfológicos e microestruturais e também determinar experimentalmente as propriedades que afetam a definição da sua geometria e comportamento em serviço, isto é, qual a sua variação durante o ciclo térmico de soldadura. Desta forma, faz-se o estudo do efeito do ciclo térmico sobre as características de fusão e solidificação das soldas usadas em fábrica (SAC 305 e SAC 405), assim como, o estudo sobre a influência das condições de soldadura na formação de compostos intermetálicos (IMC) entre as soldas e diferentes substratos (Sn, OSP e NiAu). É feita uma avaliação da molhabilidade da solda em função de diferentes condições de processamento e, por fim, um estudo das propriedades térmicas relacionadas com o processo de soldadura. Os resultados obtidos revelaram que os diferentes ciclos térmicos (aquecimento e arrefecimento) afetam os mecanismos de solidificação das soldas, evidenciando-se por isso uma microestrutura distinta para cada caso. As duas soldas apresentaram um aumento significativo dos IMCs com o aumento da temperatura máxima do ciclo térmico nos três substratos analisados. Quanto à avaliação da molhabilidade, as soldas apresentaram menores ângulos de contacto nos substratos de NiAu e OSP. Pelo estudo das propriedades térmicas verificou-se que a dissipação do calor numa PCI é maioritariamente dominada pela condutividade térmica do material isolante (FR4). Verificou-se também que diferentes microestruturas e dimensões de IMC afetam a condutividade térmica das juntas de soldadura.

Soldering process of electronic components in Printed Circuit Boards (PCB) involves several important facts which affect the final performance of the system. In a PCB, there is a heterogeneous distribution of components in space. The presence of components with different composition and mass causes, during the soldering process, a temperature gradient along the PCB. Thus, the thermal cycle of soldering (heating and cooling) varies along the board and, consequently, leads to changes on the final characteristics of the solder joints. It is necessary to reach the correct temperature for a specific time, in order to form appropriate intermetallic layers between components, solder and pads, allowing a good joint. In this dissertation the aim is to characterize the solder joints on morphological and microstructural terms, and also determine experimentally the properties that affect the definition of its geometry during the thermal cycle and its performance in service. Therefore, a study is made on the effect of thermal cycle on the characteristics of melting and solidification of solders used by the company (SAC305 and SAC405), as well the study of the influence of soldering conditions on the formation of intermetallic compounds (IMC) between the solder and different substrates (Sn, OSP and NiAu). It is performed an evaluation about wettability of the solder under different processing conditions, and finally, also a study about thermal properties related to the soldering process. The results revealed that different thermal cycles (heating and cooling) affect the mechanisms of solidification of solders, evidencing thus a distinct microstructure for each case. Both solders showed a significant growth of IMC, on the three substrates, with the increase of the maximum temperature of the thermal cycle. Regarding the evaluation of wettability, the solders had lower contact angles on substrates of NiAu and OSP. The study of thermal properties revealed that the heat dissipation in a PCB is mostly dominated by the thermal conductivity of the insulating material (FR4). It was also observed that different microstructures and different dimensions of IMC affect the thermal conductivity of the solder joints.