Influência do teor do elemento índio nas propriedades termo-mecânicas de ligas para interconexão de componentes eletrônicos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.Este trabalho insere-se no âmbito da confiabilidade de interconexões eletrônicas. Ele se propõe a contribuir para o avanço no estado da arte, relativo ao efeito de elementos de liga nas propriedades termomecânicas de materiais para soldagem branda de componentes em placas de circuito impresso. Especificamente, investigou-se a influência do elemento índio (In), nas recentemente introduzidas ligas para soldagem branda livres de chumbo. Para isto foram estudadas quatro composições químicas SnAg3,5, SnAg3,5In2, SnAg3,5In4 e SnAg3,5In8. Inicialmente foram caracterizadas as microestruturas destas ligas utilizando-se microscopia óptica, eletrônica e difração de raios X. Foram também estudados os comportamentos destes materiais sob fluência e fadiga de baixo ciclo. A calorimetria diferencial de varredura foi utilizada para determinar a influência do volume de material no superresfriamento de cada uma destas ligas. A análise microestrutural revelou que a adição de índio aumenta o número de partículas dispersas na matriz de estanho. A liga contendo 8% de peso em índio apresentou uma microestrutura bastante refinada se comparada às outras ligas. Os ensaios de fluência demonstraram que, para temperaturas próximas da temperatura ambiente, quanto maior o teor de índio, maior a resistência à fluência, sendo que o mesmo não ocorre na temperatura de 125 ºC. Neste caso, ocorre uma mudança no mecanismo que controla a taxa de deformação por fluência. As investigações de fadiga de baixo ciclo mostraram que todas as ligas sofrem amolecimento cíclico devido ao coalescimento dos intermetálicos presentes na microestrutura. A liga com 8% em peso de índio apresentou uma baixa vida sob fadiga de baixo ciclo se comparada às outras ligas. Todas as ligas apresentaram uma relação entre o volume de material e o grau de superresfriamento, sendo que, quanto menor a amostra, maior o superresfriamento. Contudo, este efeito foi menor nas ligas contendo índio. A adição do elemento índio promove o aumento da resistência à fluência de ligas para interconexão eletrônica. Isto ocorre devido ao aumento do número de partículas dispersas na matriz de Sn, bem como a um refino de microestrutura. Com uma maior resistência à fluência, estas ligas estão menos propensas à deformação durante seu uso, o que possibilita uma maior durabilidade das interconexões. O uso deste elemento em grandes quantidades, no entanto, pode comprometer a vida sob fadiga de baixo ciclo. As ligas contendo índio estão menos propensas a variações na temperatura de solidificação, o que diminui a variação microestrutural das interconexões em uma placa eletrônica e também contribui para o aumento da confiabilidade dos produtos.This work is inserted within the area of electronic interconnection reliability. It aims to contribute to the state of the art related to the effect of alloying elements on the thermomechanical properties of solders, used to promote the interconnection of the electronic components and the printed circuit board. More specifically, the work investigated the influence of the element indium in the recently introduced lead free solder alloys. In order to achieve these results, four compositions were investigated: SnAg3,5, SnAg3,5In2, SnAg3,5In4 and SnAg3,5In8. Initially the microstructural characterization of the alloys was assessed through X-ray diffraction and optical and electronic microscopy. The behavior of the material under creep and low cycle fatigue was also investigated. Differential scanning calorimetry was used to determinate the influence of the volume in the undercooling behavior of the different materials. The microstructural analysis depicted that the inclusion of indium increases the number of dispersed particles within the tin matrix. The alloy containing 8% of indium presented a very refined microstructure in comparison to the other alloys. Creep tests have shown that for temperatures near room temperature, the higher the indium content the higher the creep resistance. This, although is not true for the temperature 125ºC. At such temperature there is a change in the strain rate ruling mechanism. The investigation on low cycle fatigue indicates that all the alloys suffer from cyclic softening probably due to coarsening. The alloy with 8 wt% presented a lower life under fatigue, if compared to the others. All the alloys presented a relation in that the smaller the sample size, the higher the undercooling, this effect, however, is less intensive for the alloys containing indium. The introduction of indium as an alloying element increases creep resistance of solder alloys. This occurs due to the higher number of dispersed particles, as well as to a microstructure refinement. With a greater creep resistance, these alloys are less prompt to plastic deformation during their use, what generates a higher interconnection endurance. On the other hand, if the content of this element is as high as 8 wt%, there may be some compromise under low cycle fatigue`s life. The alloys containing indium are less prompt to changes in the solidification temperature. That may decrease the variation in the microstructure of the interconnections on a PCB, and contributes also to an increase in product reliability