SMT制程資料3

1、下一代的回流焊接技術(shù)本文介紹，世界范圍內(nèi)無(wú)鉛錫膏的實(shí)施出現(xiàn)加快，隨著元件變得更加形形色色，從大的球柵陣列(bga)到不斷更密間距的零件，要求新的回流焊接爐來(lái)提供更精確控制的熱傳導(dǎo)。表一、典型的無(wú)鉛焊錫特性合金熔點(diǎn)蠕變強(qiáng)度熔濕熱阻sn/3.5ag216221c良好一般良好sn/3.5ag/0.7cu共晶sn/3.5ag/4.8bisn/5.8bi139200c一般一般良好sn/7.5bi/2.0ag/0.5cusn/0.7cu227c一般？sn/9.0zn190199c良好一般良好sn/8.0zn/3.0bi共晶表一與表二列出了典型的無(wú)鉛(lead-free)錫膏(solderpaste)的特性

2、和熔濕 (wetting)參數(shù)。顯示各種無(wú)鉛材料(不包括那些含鉍)的主要金屬成分和特性的表一，揭示它們具有比傳統(tǒng)的sn/pb錫膏更高的熔化溫度。從表二中在銅上的熔濕參數(shù)可以清楚地看到，它們也不如sn63/pb37錫膏熔濕得那么好。更進(jìn)一步，其它的試驗(yàn)已經(jīng)證明當(dāng)sn63/pb37錫膏的可擴(kuò)散能力為93%時(shí)，無(wú)鉛錫膏的擴(kuò)散范圍為7377%。sn63/pb37錫膏的回流條件是熔點(diǎn)溫度為183c，在小元件上引腳的峰值溫度達(dá)到240c，而大元件上得到210c。可是，大小元件之間這30c的差別不影響其壽命。這是因?yàn)楹附狱c(diǎn)是在高于錫膏熔化溫度的2757c時(shí)形成的。魷魚(yú)金屬可溶濕性通常在較高溫度時(shí)提高，所以這

3、些條件對(duì)生產(chǎn)是有利的?？墒牵瑢?duì)于無(wú)鉛錫膏，比如sn/ag成分的熔點(diǎn)變成216221c。這造成加熱的大元件引腳要高于230c以保證熔濕。如果小元件上引腳的峰值溫度保持在240c，那么大小元件之間的溫度差別減少到小于10c。這也戲劇性地減少錫膏熔點(diǎn)與峰值回流焊接溫度之間的差別，如圖一所示。這里，回流焊接爐必須減少大小元件之間的峰值溫度差別，和維持穩(wěn)定的溫度曲線(xiàn)在整個(gè)印刷電路板(pcb)在線(xiàn)通過(guò)的過(guò)程中，以得到高生產(chǎn)率水平。表二、銅上的熔濕參數(shù)*合金溫度c接觸角度時(shí)間(s)63sn/37pb260173.896.5sn/3.5ag260362.095.0sn/5.0sb280433.342.0sn/

4、58.0bi195439.350.0sn/50.0in2156314.2*fromipcworks99,lead-freesoldersbydr.j.hwang.峰值溫度維護(hù)也必須考慮要加熱的零件的熱容量和傳導(dǎo)時(shí)間。這對(duì)bga特別如此，其身體(和pcb)首先加熱。然后熱傳導(dǎo)到焊盤(pán)和bga錫球，以形成焊點(diǎn)。例如，如果230c的空氣作用在包裝表面-焊盤(pán)與bga錫球?qū)⒅饾u加熱而不是立即加熱。因此，為了防止溫度沖擊，包裝元件一定不要在回流區(qū)過(guò)熱，在焊盤(pán)與bga錫球被加熱形成焊接點(diǎn)的時(shí)候?；亓鳡t加熱系統(tǒng)兩種最常見(jiàn)的回流加熱方法是對(duì)流空氣與紅外輻射(ir,infraredradiation)。對(duì)流使用空氣

5、作傳導(dǎo)熱量的媒介，對(duì)加熱那些從板上“凸出”的元件，比如引腳與小零件，是理想的?？墒?，在該過(guò)程中，在對(duì)流空氣與pcb之間的一個(gè)“邊界層”形成了，使得熱傳導(dǎo)到后者效率不高，如圖二所示。用ir方法，紅外加熱器通過(guò)電磁波傳導(dǎo)能量，如果控制適當(dāng)，它將均勻地加熱元件?？墒牵绻麤](méi)有控制，pcb和元件過(guò)熱可能發(fā)生。ir機(jī)制，如燈管和加熱棒，局限于表面區(qū)域，大多數(shù)熱傳導(dǎo)集中在pcb的直接下方，妨礙均勻覆蓋。因?yàn)檫@個(gè)理由，ir加熱器必須大于所要加熱的板，以保證均衡的熱傳導(dǎo)和有足夠的熱量防止pcb冷卻。三種熱傳導(dǎo)機(jī)制中-傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流-只有后兩者可通過(guò)回流爐控制。通過(guò)輻射的熱傳導(dǎo)是高效和大功率的，如下面的方程式

6、所表示：t(k)e=bt4這里熱能或輻射的發(fā)射功率e是與其絕對(duì)溫度的四次方成比例的，b是stefan-boltzman常數(shù)。因?yàn)榧t外加熱的熱傳導(dǎo)功率對(duì)熱源的溫度非常敏感，所以要求準(zhǔn)確控制。而對(duì)流加熱沒(méi)有輻射那么大的功率，它可以提供良好的、均勻的加熱。ir+強(qiáng)制對(duì)流加熱今天的最先進(jìn)的回流爐技術(shù)結(jié)合了對(duì)流與紅外輻射加熱兩者的優(yōu)點(diǎn)。元件之間的峰值溫度差別可以保持在8c，同時(shí)在連續(xù)大量生產(chǎn)期間pcb之間的溫度差別可穩(wěn)定在大約1c。ir+強(qiáng)制對(duì)流的基本概念是，使用紅外作為主要的加熱源達(dá)到最佳的熱傳導(dǎo)，并且抓住對(duì)流的均衡加熱特性以減少元件與pcb之間的溫度差別。對(duì)流在加熱大熱容量的元件時(shí)有幫助，諸如bga

7、，同時(shí)對(duì)較小熱容量元件的冷卻有幫助。在圖三中，(1)代表具有大熱容量的元件的加熱曲線(xiàn)，(2)是小熱容量的元件。如果只使用一個(gè)熱源，不管是ir或者對(duì)流，將發(fā)生所示的加熱不一致。當(dāng)只有ir用作主熱源時(shí)，將得到實(shí)線(xiàn)所示的曲線(xiàn)結(jié)果?？墒?，虛線(xiàn)所描述的加熱曲線(xiàn)顯示了ir/強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，這里增加強(qiáng)制對(duì)流的作用是，加熱低于設(shè)定溫度的元件，而冷卻已經(jīng)升高到熱空氣溫度之上的那些零件。先進(jìn)回流焊接爐的第二個(gè)特點(diǎn)是其更有效地傳導(dǎo)對(duì)流熱量給pcb的能力。圖四比較傳統(tǒng)噴嘴對(duì)流加熱與強(qiáng)制對(duì)流加熱的熱傳導(dǎo)特性。后面的技術(shù)可均勻地將熱傳導(dǎo)給pcb和元件，效率是噴嘴對(duì)流的三倍。最后，不象用于較舊的回流焊接爐中的加熱

8、棒和燈管型ir加熱器，這個(gè)較新一代的系統(tǒng)使用一個(gè)比pcb大許多的ir盤(pán)式加熱器，以保證均勻加熱(圖五)。pcb加熱偏差一個(gè)試驗(yàn)設(shè)法比較qfp140p與pcb之間的、45mm的bga與pcb之間在三種條件下的溫度差別：當(dāng)只有ir盤(pán)式加熱器的回流時(shí)、只有對(duì)流加熱和使用結(jié)合ir/強(qiáng)制對(duì)流加熱的系統(tǒng)。對(duì)流回流產(chǎn)生在qfp140p與pcb之間22c的溫度差(在預(yù)熱期間pcb插入后的70秒)。相反，通過(guò)結(jié)合式系統(tǒng)加熱結(jié)果只有7c的溫度不一致，而45mm的bga對(duì)流加熱結(jié)果是9c的溫度差別，結(jié)合式系統(tǒng)將這個(gè)溫度差減少到3c。另外，在pcb與45mm的bga之間的峰值溫度差別當(dāng)用結(jié)合式系統(tǒng)回流時(shí)只有12c，使

9、用的是傳統(tǒng)的溫度曲線(xiàn)設(shè)定。這個(gè)差別使用梯形曲線(xiàn)可減少到8c，如后面所述。(在連續(xù)大生產(chǎn)中，回流爐中的溫度不穩(wěn)定在使用無(wú)鉛錫膏時(shí)將有重大影響。試驗(yàn)已經(jīng)顯示尺寸為250x330x1.6mm的pcb、分開(kāi)5cm插入，其峰值溫度在大約1c之內(nèi)。)最佳回流溫度曲線(xiàn)對(duì)于無(wú)鉛錫膏，元件之間的溫度差別必須盡可能地小。這也可通過(guò)調(diào)節(jié)回流曲線(xiàn)達(dá)到。用傳統(tǒng)的溫度曲線(xiàn)，雖然當(dāng)板形成峰值溫度時(shí)元件之間的溫度差別是不可避免的，但可以通過(guò)幾個(gè)方法來(lái)減少：延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間。這大大減少在形成峰值回流溫度之前元件之間的溫度差。大多數(shù)對(duì)流回流爐使用這個(gè)方法。可是，因?yàn)橹竸┛赡芡ㄟ^(guò)這個(gè)方法蒸發(fā)太快，它可能造成熔濕(wetting)差，

10、由于引腳與焊盤(pán)的氧化。提高預(yù)熱溫度。傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在140160c，可能要對(duì)無(wú)鉛焊錫提高到170190c。提高預(yù)熱溫度減少所要求的形成峰值溫度，這反過(guò)來(lái)減少元件(焊盤(pán))之間的溫度差別。可是，如果助焊劑不能接納較高的溫度水平，它又將蒸發(fā)，造成熔濕差，因?yàn)楹副P(pán)引腳氧化。梯形溫度曲線(xiàn)(延長(zhǎng)的峰值溫度)。延長(zhǎng)小熱容量元件的峰值溫度時(shí)間，將允許元件與大熱容量的元件達(dá)到所要求的回流溫度，避免較小元件的過(guò)熱。使用梯形溫度曲線(xiàn)，如圖六所示，一個(gè)現(xiàn)代結(jié)合式回流系統(tǒng)可減少45mm的bga與小型引腳包裝(sop,smalloutlinepackage)身體的之間的溫度差到8c。氮?dú)饣亓鳡t無(wú)鉛錫膏可能出現(xiàn)熔濕的困

11、難，因?yàn)槠淙刍瘻囟韧ǔ８?，而在峰值回流溫度之間的溫度差不是很大。另外，無(wú)鉛錫膏的金屬成分一般特性是可擴(kuò)散性差。而且，高熔點(diǎn)的無(wú)鉛錫膏在貼裝頂面和底面pcb時(shí)將產(chǎn)生問(wèn)題。在a面回流焊接期間，越高的溫度b面焊盤(pán)氧化越嚴(yán)重。在200c之上，氧化膜的厚度迅速增加，這可能導(dǎo)致在回流b面時(shí)熔濕性差。具有sn/zn成分的錫膏也可能出現(xiàn)問(wèn)題(zn容易氧化)。如果氧化發(fā)生，焊錫將不能與其它金屬融合。因此，將要求氮?dú)獾氖褂茫跃S持無(wú)鉛工藝的高生產(chǎn)力。在以ir盤(pán)式加熱器為主要熱源的結(jié)合式ir/強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)中(對(duì)流是均勻加熱媒介)，氮?dú)獾南目蓽p少到少于現(xiàn)在全對(duì)流回流爐所要求的一半數(shù)量。(可接納450mm寬度pcb的

12、爐的最大氮?dú)庀臑槊糠昼?00升。)一個(gè)可選的內(nèi)部氮?dú)獍l(fā)生器可消除大的氮?dú)馔暗男枰?。自?dòng)過(guò)程監(jiān)測(cè)除了要求下一代的爐子技術(shù)之外，窄小的無(wú)鉛工藝窗口使得必須要做連續(xù)的工藝過(guò)程監(jiān)測(cè)，因?yàn)樯踔梁苄〉墓に嚻x都可能造成不合規(guī)格的焊接產(chǎn)品。監(jiān)測(cè)回流焊接工藝的最有效方法是用自動(dòng)、連續(xù)實(shí)時(shí)的溫度管理系統(tǒng)。該實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)允許裝配者通過(guò)連續(xù)的監(jiān)測(cè)在回流爐中的過(guò)程溫度，獲得和分析其焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)通常由30個(gè)嵌入兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)不銹鋼探測(cè)器的熱電偶組成，探測(cè)器永久地安裝在剛好傳送帶的上方或下方。熱電偶連續(xù)地監(jiān)測(cè)過(guò)程溫度，每五秒記錄讀數(shù)。這些溫度在爐子控制器的pc屏幕上作為過(guò)程溫度曲線(xiàn)顯示出來(lái)(圖七)。實(shí)時(shí)溫

13、度管理系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)由穿過(guò)式測(cè)溫儀測(cè)定的溫度曲線(xiàn)與由實(shí)時(shí)溫度管理熱電偶探測(cè)器所測(cè)量的過(guò)程溫度之間的數(shù)學(xué)相關(guān)性，來(lái)提供對(duì)每個(gè)處理板的產(chǎn)品溫度曲線(xiàn)。來(lái)自實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)發(fā)送到遠(yuǎn)方位置，最大利用這種稀有工程資源的價(jià)值。實(shí)時(shí)連續(xù)溫度記錄的其它優(yōu)點(diǎn)包括，消除使用標(biāo)準(zhǔn)穿過(guò)式溫度記錄器的生產(chǎn)停頓，和所需要的預(yù)防性維護(hù)的計(jì)劃。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代強(qiáng)制對(duì)流爐可以有效地工作時(shí)間延長(zhǎng)，而不需要維護(hù)。實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)的使用立即提醒使用者爐的性能變差，允許要求時(shí)的預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃。最后，嚴(yán)密控制的溫度過(guò)程可大大減少焊接點(diǎn)缺陷，和有關(guān)的昂貴的返工。事實(shí)上，實(shí)時(shí)溫度管理已經(jīng)成為工業(yè)范圍的專(zhuān)用品質(zhì)指示器。

14、回流溫度曲線(xiàn)優(yōu)化現(xiàn)在先進(jìn)的軟件可簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換到無(wú)鉛裝配的任務(wù)。在較新的軟件中，有一個(gè)自動(dòng)溫度曲線(xiàn)預(yù)測(cè)工具，它允許使用者在數(shù)分鐘內(nèi)決定最佳的溫度曲線(xiàn)。該工具將曲線(xiàn)放在由希望設(shè)定規(guī)定界限的使用者設(shè)定的窗口中央。一個(gè)例子是前面提到的梯形曲線(xiàn)-即，如果裝配不能忍受高于240c的溫度但必須最少230c，那么該自動(dòng)預(yù)測(cè)工具將找出一條最佳的溫度曲線(xiàn)，介于高限位與低限位之間的中央。結(jié)論無(wú)鉛錫膏的使用將大大減少回流工藝窗口，特別是對(duì)于要求的峰值溫度。元件之間的溫度差必須減少，在連續(xù)生產(chǎn)期間回流爐的變化必須達(dá)到最小，為了高品質(zhì)與高生產(chǎn)力的制造。為了達(dá)到這一點(diǎn)，通過(guò)回流爐的溫度傳導(dǎo)必須精確控制。一個(gè)具有單獨(dú)與精密控制的

15、各個(gè)加熱單元的結(jié)合式ir/強(qiáng)制對(duì)流系統(tǒng)，提供要求用來(lái)可靠地處理無(wú)鉛裝配的方法。當(dāng)與自動(dòng)溫度曲線(xiàn)預(yù)測(cè)工具和連續(xù)實(shí)時(shí)溫度管理系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，該回流技術(shù)為未來(lái)的無(wú)鉛電子制造商提供零缺陷生產(chǎn)的潛力。焊接材料本文介紹，焊錫作為所有三個(gè)連接級(jí)別：芯片(die)、封裝(package)和電路板裝配的連接材料。除此之外，錫/鉛焊錫普遍用于元件引腳和pcb的表面涂層?？紤]到鉛(pb)的既定角色，焊錫可分類(lèi)為或者含鉛的或者無(wú)鉛的(lead-free)?，F(xiàn)在，元件和pcb在無(wú)鉛系統(tǒng)中已經(jīng)找到可行的替代錫/鉛材料的表面涂層?？墒菍?duì)于連接材料，對(duì)實(shí)際無(wú)鉛系統(tǒng)的尋找還在進(jìn)行中。這里，將總結(jié)一下錫/鉛焊錫材料的基礎(chǔ)知識(shí)，以及

16、焊接點(diǎn)的性能因素，后面有無(wú)鉛焊錫的一個(gè)簡(jiǎn)要討論。焊錫通常描述為液相溫度低于400c(750f)的可熔合金。芯片級(jí)別(特別是倒裝芯片)的錫球的基本合金含有高溫、高鉛成分，如sn5/pb95或sn10/pb90。共晶或近共晶合金，如sn60/pb40、sn62/pb36/ag2和sn63/pb37，也已經(jīng)成功使用。例如，在載體csp/bga基板底面的錫球可以是高溫、高鉛或共晶、近共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀材料。由于傳統(tǒng)電路板的材料如fr-4的溫度忍耐級(jí)別，附著元件和ic封裝的板級(jí)焊錫只局限于共晶、近共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀焊錫。在有些情況中，使用了錫/銀共晶和包含鉍(bi)或銦(in)的低溫焊錫化合

17、成分。焊錫可以各種物理形式應(yīng)用，包括錫條(bar)、錫錠(ingot)、錫線(xiàn)(wire)、錫粉(powder)、預(yù)成型(preform)、錫球(sphere)與柱、錫膏(paste)和熔化狀態(tài)。焊錫材料的固有特性可在三個(gè)范疇內(nèi)考慮：物理、冶金和機(jī)械。物理特性對(duì)于今天的封裝和裝配，五個(gè)物理特性是特別重要的：11. 冶金學(xué)相轉(zhuǎn)變(phase-transition)溫度具有實(shí)際的意義。液相溫度認(rèn)為等于熔化溫度和固相線(xiàn)對(duì)軟化溫度。對(duì)于一個(gè)給定的成分，液相與固相之間的范圍叫做塑性或粘滯范圍。選作連接材料的焊錫合金必須適應(yīng)服務(wù)(最終使用)溫度的最壞條件。因此，希望合金具有至少高于所希望的服務(wù)溫度上限兩倍的

18、液相線(xiàn)。隨著服務(wù)溫度接近液相線(xiàn)，焊錫一般在機(jī)械上和冶金學(xué)上變得“較弱”。2. 焊錫連接的導(dǎo)電性描述其在傳送電氣信號(hào)中的性能。從定義上，導(dǎo)電性是在一個(gè)電場(chǎng)中充電的離子(電子)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)。在金屬中以電子導(dǎo)電為主；離子負(fù)責(zé)氧化物和非金屬的導(dǎo)電。焊錫的導(dǎo)電主要是電子的流動(dòng)。電阻率-導(dǎo)電率的倒數(shù)-隨著溫度升高而增強(qiáng)。這是由于電子的可移動(dòng)性減少，隨著溫度升高電子的可移動(dòng)性直接與平均自由行程(mean-free-path)成比例。焊錫的電阻率也可受塑性變形程度的影響(增加)。3. 金屬的導(dǎo)熱性通常與導(dǎo)電性有關(guān)系，因?yàn)殡娮又饕?fù)責(zé)這兩樣。(可是，對(duì)絕緣體，以聲子活動(dòng)為主。)焊錫的導(dǎo)熱性隨

19、著溫度增加而減少。4. 自從表面貼裝技術(shù)的開(kāi)始，溫度膨脹系數(shù)(cte,coefficientofthermalexpansion)問(wèn)題已經(jīng)是最經(jīng)常討論的，原因是smt連接材料特性的cte通常有膠大的不同。一個(gè)典型的裝配由一塊fr-4板、焊錫和無(wú)引腳或有引腳元件組成。它們各自的cte是16.0x10-6/c(fr-4)、23.0x10-6/c(sn63/pb37)、16.5x10-6/c(銅引腳)、和6.4x10-6/c(al2o3無(wú)引腳元件)。在溫度的波動(dòng)和電源的開(kāi)與關(guān)之下，這些cte的不同增加在焊接點(diǎn)上應(yīng)力與應(yīng)變，縮短服務(wù)壽命和導(dǎo)致過(guò)早失效。兩個(gè)主要的材料特性決定cte的幅度，晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)

20、。當(dāng)材料具有類(lèi)似的晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，其cte與其熔點(diǎn)有相反的關(guān)系。5. 熔化焊錫的表面張力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與可熔濕性(wettability)和可焊接性有關(guān)。由于接合在表面斷開(kāi)，在表面分子之間作用的吸引力相對(duì)強(qiáng)度比焊錫內(nèi)部分子力較弱。因此材料的自由表面具有比其內(nèi)部更高的能量。對(duì)于用來(lái)熔濕焊盤(pán)的熔化焊錫，焊盤(pán)的表面必須具有比熔化的焊錫較高的能量。換句話(huà)說(shuō)，熔化金屬的表面能量越低(或金屬焊盤(pán)的表面能量越高)，對(duì)熔濕越有利。注意：上助焊劑就是要增加焊盤(pán)的表面能量而不是象有時(shí)在文章中那樣說(shuō)的減低。冶金學(xué)特性在焊錫連接服務(wù)壽命內(nèi)暴露的環(huán)境條件之下，通常發(fā)生的冶金現(xiàn)象包括幾個(gè)明顯的變化。11. 塑性變形。當(dāng)焊錫

21、暴露在作用力下，如機(jī)械或熱應(yīng)力，它會(huì)進(jìn)行不可逆變的塑性變形。通常通過(guò)在焊錫晶體結(jié)構(gòu)的許多平行平面上的剪切變形開(kāi)始，它可能全面地或局部地(在焊接點(diǎn)內(nèi))進(jìn)行，取決于應(yīng)力水平、應(yīng)變率、溫度和材料特性。連續(xù)或周期性的塑性變形最終導(dǎo)致焊錫點(diǎn)破裂。2. 應(yīng)變硬化，經(jīng)常在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系中觀察到，是塑性變形的結(jié)果。3. 恢復(fù)過(guò)程是應(yīng)變硬化的反現(xiàn)象。恢復(fù)是一個(gè)軟化事件，即，焊錫傾向于釋放所儲(chǔ)存的應(yīng)變能量。該過(guò)程是熱動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的，一個(gè)以快速率開(kāi)始、以較低速率進(jìn)行的能量釋放過(guò)程。這樣，對(duì)焊點(diǎn)缺陷敏感的無(wú)論特性?xún)A向于恢復(fù)到其最初的值?？墒?，這不影響微結(jié)構(gòu)中的可發(fā)現(xiàn)的變化。4. 重新結(jié)晶是在服務(wù)壽命期間焊接點(diǎn)內(nèi)經(jīng)常觀

22、察到的另一個(gè)現(xiàn)象。它經(jīng)常發(fā)生在相對(duì)高的溫度，并涉及從應(yīng)變材料釋放比恢復(fù)過(guò)程較高的能量。還有，在重結(jié)晶期間，形成一套新的基本上無(wú)應(yīng)變的晶體結(jié)構(gòu)，它明顯涉及晶核形成與增生的過(guò)程。重結(jié)晶所要求的溫度一般落在材料的絕對(duì)熔點(diǎn)的三分之一到二分之一范圍內(nèi)。5. 固溶硬化(solution-hardening)，或固體溶解合金，造成屈服應(yīng)力的增加。固溶硬化的一個(gè)現(xiàn)成例子是，當(dāng)sn/pb成分通過(guò)銻(sb)添加來(lái)強(qiáng)化時(shí)，如圖一所示。6. 沉淀硬化(precipitation-hardening)包括強(qiáng)化作用，它來(lái)自于具有分布良好的細(xì)沉淀的結(jié)構(gòu)。7. 焊錫的超塑性特性表明自己處于低應(yīng)力、高溫和低應(yīng)變率的條件之下。機(jī)

23、械性能焊錫的三個(gè)基本機(jī)械特性包括應(yīng)力與應(yīng)變特性、抗懦變性和抗疲勞性。雖然應(yīng)變可以通過(guò)張力、壓力或剪力來(lái)施加，但多少合金在剪力上比在張力或壓力上更弱。剪切強(qiáng)度是重要的，因?yàn)槎鄶?shù)焊點(diǎn)在服務(wù)期間經(jīng)受剪切應(yīng)力。懦變是當(dāng)溫度和應(yīng)力(載荷)都保持常數(shù)時(shí)造成的整體塑性變形。這個(gè)決定于時(shí)間的變形可能在絕對(duì)零度之上的任何溫度發(fā)生?？墒牵匙儸F(xiàn)象只是在“活躍”溫度時(shí)才便得重要。疲勞是在交替應(yīng)力之下的合金失效。一個(gè)合金在循環(huán)載荷下可忍受的應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜載荷之下的。因此，屈服強(qiáng)度，焊錫沒(méi)有永久變形將抵抗的靜態(tài)應(yīng)力，與抗疲勞性無(wú)關(guān)。疲勞破裂通常從幾個(gè)小裂紋開(kāi)始，在應(yīng)力的循環(huán)作用下增產(chǎn)，造成焊接點(diǎn)燈承載橫截面減小。在電子封

24、裝和裝配應(yīng)用中的焊錫通常經(jīng)受低循環(huán)疲勞(疲勞壽命小于10,000周期)，和遭受高應(yīng)力。熱力疲勞是用來(lái)刻劃焊錫特性的另一個(gè)測(cè)試模式。它將材料經(jīng)受循環(huán)的溫度極限，即，一個(gè)溫度疲勞測(cè)試模式。每一種方法都有其獨(dú)特的特征與優(yōu)點(diǎn)，兩者都影響在焊錫上的應(yīng)變循環(huán)。2性能與外部設(shè)計(jì)人們清楚地認(rèn)識(shí)到，焊接點(diǎn)的可靠性不僅依靠固有特性，而且依靠設(shè)計(jì)、要裝配的元件與板、用來(lái)形成錫點(diǎn)的工藝和長(zhǎng)期服務(wù)的條件。進(jìn)一步，焊接點(diǎn)預(yù)計(jì)與散裝的焊接材料有不同的表現(xiàn)。因此，可能不能準(zhǔn)確地遵循在散裝焊錫與焊接點(diǎn)之間的一些現(xiàn)成的機(jī)械與溫度特性模式。主要地，這是由于基板表面焊接體積的高比率，在固化期間造成大量的非均質(zhì)成核點(diǎn)，以及當(dāng)焊點(diǎn)形成時(shí)

25、在元素或冶金化合物中的濃度梯度。無(wú)任哪一種條件都可能導(dǎo)致一個(gè)反映缺乏均質(zhì)性的結(jié)構(gòu)。隨著焊接點(diǎn)厚度的減少，這個(gè)界面效果更加明顯。因此，焊接點(diǎn)的特性可能改變，失效機(jī)制可能與散裝焊錫不一致。元件與板的設(shè)計(jì)也可重大影響焊接點(diǎn)的性能。例如，與焊盤(pán)有關(guān)的阻焊層(soldermask)(如一個(gè)限定的或不限定的阻焊層)的設(shè)計(jì)，將影響焊接點(diǎn)燈性能以及失效機(jī)制。對(duì)于每種元件封裝的各自焊點(diǎn)失效模式已經(jīng)有觀察和說(shuō)明特征1,3,4,5,6。例如，翅形(gull-wing)qfp焊接點(diǎn)的斷裂經(jīng)常從焊接圓角的腳跟開(kāi)始，第二個(gè)斷裂在腳尖區(qū)域；bga焊點(diǎn)失效通常在或者焊錫球與封裝的界面或者焊錫球與板的界面找到。另一個(gè)重要的因素

26、是系統(tǒng)的溫度管理。ic芯片的散然要求繼續(xù)增加。其運(yùn)作期間產(chǎn)生的熱量必須有效地從芯片帶走到封裝表面，然后到空氣中。在由于過(guò)熱系統(tǒng)失效出現(xiàn)之前，ic的性能可能變得不穩(wěn)定，與在導(dǎo)電性和溫度之間的關(guān)系中描述的一樣。封裝與板的設(shè)計(jì)和材料都是該工藝效率的影響因素。焊錫連接認(rèn)為在導(dǎo)熱方面比其聚合物膠替代品要有效得多(如表中預(yù)計(jì)的導(dǎo)熱率所反應(yīng)的)表、普通封裝材料的導(dǎo)熱率材料導(dǎo)熱率(w/mk)銅400金320硅80焊錫(sn63/pb37)50鋁(al2o3)35導(dǎo)電性膠5基板(fr-4,bt)0.2當(dāng)焊接點(diǎn)通過(guò)高質(zhì)量的工藝適當(dāng)?shù)匦纬蓵r(shí)，其服務(wù)壽命與懦變/疲勞相互作用、金屬間化合物的發(fā)展和微結(jié)構(gòu)進(jìn)化有聯(lián)系。失效

27、模式雖系統(tǒng)的組成而變化，如封裝類(lèi)型(pbga、csp、qfp、電容等)、溫度與應(yīng)變水平、使用的材料、焊點(diǎn)圓角體積、焊點(diǎn)幾何形狀及其他設(shè)計(jì)因素。功率不斷提高的芯片和現(xiàn)代設(shè)計(jì)不斷變密的電路進(jìn)一步要求在焊接點(diǎn)的抗溫度疲勞的更好性能。無(wú)鉛焊錫對(duì)無(wú)鉛焊錫的興趣水平隨著時(shí)間而變化，從熾熱到冷淡。有關(guān)無(wú)鉛焊錫合金發(fā)展的詢(xún)問(wèn)數(shù)量也似乎直接與美國(guó)國(guó)會(huì)或者在其他國(guó)家的法律團(tuán)體內(nèi)部的事件成比例7。雖然法律的影響不會(huì)小，但是，發(fā)展無(wú)鉛焊錫的另一個(gè)、可能更重要的目的是要將軟的焊錫推向一個(gè)新的性能水平。典型的pcb裝配的共晶錫/鉛(sn63/pb37)焊接點(diǎn)通常由于溫度疲勞的結(jié)果遇到累積的老化1,3,4,5,6。這個(gè)老化

28、經(jīng)常與在焊點(diǎn)界面上和附近的粗糙晶粒有關(guān)，如圖二所示，它反過(guò)來(lái)與pb或富pb相緊密相關(guān)。如果消除鉛，對(duì)于經(jīng)受溫度循環(huán)的無(wú)鉛焊接點(diǎn)的損壞機(jī)制會(huì)改變嗎？在沒(méi)有其他主要失效條件(金屬間化合物、接合差、過(guò)多空洞，等)時(shí)，在溫度疲勞環(huán)境下的無(wú)鉛焊點(diǎn)失效機(jī)制涉及晶粒粗糙很可能不會(huì)達(dá)到錫/鉛相同的程度。無(wú)鉛焊錫實(shí)際上應(yīng)該設(shè)計(jì)成防止晶粒粗糙，因此提供較高的抗疲勞特性，由于有利的維結(jié)構(gòu)進(jìn)化。圖三通過(guò)兩種無(wú)鉛合金比較溫度疲勞無(wú)鉛焊接點(diǎn)的強(qiáng)度，顯示沒(méi)有粗糙的出現(xiàn)。已經(jīng)介紹了各種無(wú)鉛成分1。多數(shù)似乎至少在一個(gè)區(qū)域失效：例如它們可能缺少本來(lái)的能力來(lái)展示在焊接期間的即時(shí)流動(dòng)和良好的熔濕性能；熔化溫度可能太高，超過(guò)普通使用的

29、pcb的忍耐水平；或者它們可能顯示不足的機(jī)械性能。只有那些結(jié)合所希望的物理與機(jī)械性能、具有滿(mǎn)足制造要求能力的無(wú)鉛合金才作為工作材料。從19901994年，在美國(guó)鉛的法律法規(guī)在聯(lián)邦與州都是當(dāng)時(shí)的議程，雖然實(shí)際的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)相對(duì)停滯。另一方面，日本最近的“家用電子再生法律”和歐洲的新的或更新的倡議已經(jīng)推斷在電子制造的所有級(jí)別實(shí)施無(wú)鉛焊接。似乎工業(yè)確實(shí)在走近“綠色制造”的理想。無(wú)鉛的真正成本本文，直接分析無(wú)鉛焊錫的成本。本文又要談一談無(wú)鉛(lead-free)。但我的主題不是要海闊天空地談?wù)撌裁瓷鷳B(tài)、財(cái)政、感情和政治。這方面的主題太多了。雖然大多數(shù)的無(wú)鉛討論都是集中在焊接上面，但是我們應(yīng)該記住，無(wú)鉛這一

30、舉動(dòng)也會(huì)影響到電路板的表面涂層、元件引腳和內(nèi)部元件的互聯(lián)。材料材料的成本影響焊接的成本，最終影響裝配的成本。鉛相對(duì)便宜，一般地說(shuō)，沒(méi)有哪一種替代金屬證明是經(jīng)濟(jì)的。如果工業(yè)從錫/鉛合金轉(zhuǎn)移到錫/銀/銅合金，工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者們必須認(rèn)識(shí)到，銀和銅比鉛更貴。盡管不是標(biāo)準(zhǔn)37%的鉛由37%的銀所取代-應(yīng)該是5%的銀-但是錫、銀和銅的相對(duì)成本確實(shí)是上去了(表一)。表一、金屬的成本(近似)元素每磅金屬成本(近似)密度(每立方英寸磅)鉛$0.450.410鋅$0.500.258銅$0.650.324銻$0.800.239鉍$3.400.354錫$3.500.264銀$84.200.379銦$125.000.264

31、材料密度當(dāng)看到各種合金的單位體積價(jià)格時(shí)(表一)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)與sn63/pb37焊錫合金的基準(zhǔn)價(jià)格相差懸殊。焊錫不是按體積購(gòu)買(mǎi)的，而是按重量-錫膏論公斤；錫條和錫線(xiàn)論磅。在表一中的密度欄顯示，替代金屬比鉛的密度遠(yuǎn)小的多。表二顯示正在考慮的特殊合金的密度。例如，最受歡迎的替代鉛的候選合金是sn96.3/ag3/cu0.7，它與sn63/pb37之間在密度上的差別幾乎達(dá)到20%。因此，如果一公斤的sn63/pb37產(chǎn)生1,000瓶的錫膏，那么0.8公斤的sn96.3/ag3/cu0.7也將產(chǎn)生同樣1,000瓶錫膏。因此，以重量來(lái)銷(xiāo)售焊錫造成實(shí)際成本的下降。表二、最?？紤]的替代合金alloymeltingrange(c)metalcost/lb(us$)densityat25c(lbs/in3)metalcostperin3(us$)metalcostperin3sn63/pb37sn62/pb371832.370.3180.750%sn42/bi581393.440.3161.09+45%sn77.2/in20/ag2.8179-18930.060.2678.02+970%sn91/zn91993.230.2630.85+13%sn91.8/ag3.4/bi4.8208-115