無(wú)鉛焊及焊接點(diǎn)的可靠性實(shí)驗(yàn)

1、無(wú)鉛焊及焊接點(diǎn)的可靠性實(shí)驗(yàn)(1、株式會(huì)社 力世科，東京都口野市日野本町1-15-17街1910011 ； 2、上海市虹橋路2328弄2號(hào)樓504室，200336)摘要：隨著電子裝置的小型化的發(fā)展，歐盟(eu.)的weee和rohs提出禁止使用sn-pb焊錫。這將導(dǎo)致一系列的工業(yè)革 新，如部件體積和重量的減少，各種各樣無(wú)鉛產(chǎn)品的出現(xiàn)，改變現(xiàn)有的焊接牛產(chǎn)線等。參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(iec，iso)和日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (jis )，并根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)做了一系列的試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)無(wú)鉛焊潤(rùn)濕性、強(qiáng)度、耐久性等可靠性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行說(shuō)明。關(guān)鍵詞：無(wú)鉛焊，潤(rùn)濕性，接觸角，耐久性中圖分類號(hào)：t605文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a文章標(biāo)碼：10

2、04 - 4507 ( 2005) 12 - 0051-05手機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品的小型化、輕量化發(fā)展的同吋，歐盟出臺(tái)了關(guān)于廢棄電氣電子儀器(weee : waste el ectrical and electronic equipment)法案及特定有害物質(zhì)的使用限制(rohs : restriction of the use of certain hazardous substances) 之規(guī)定。即，2006年7月1日之后，對(duì)在電子儀器及封裝業(yè)中，廣泛使用的，不可缺的sn- pb系列焊錫將全面禁止。為此，在電 子產(chǎn)業(yè)界，對(duì)封裝部件的小型化，無(wú)鉛焊錫的開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)線的變更等等技術(shù)

3、改造和變革將迫在眉睫。本文將依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iec、iso、jis，通過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，對(duì)無(wú)鉛焊的潤(rùn)濕性、強(qiáng)度、耐久性等可靠性的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行說(shuō)明。1各種標(biāo)準(zhǔn)(無(wú)鉛焊相關(guān)的)對(duì)sn pb系列焊錫，我們有各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)鉛焊從定義、種類、組成等也有其對(duì)應(yīng)的iec、iso、jis等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并正 在進(jìn)一步完善。如各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)鉛的定義(鉛的含量)、種類的一致性也還在進(jìn)行調(diào)整，在日本國(guó)內(nèi)使用的jis標(biāo)準(zhǔn)，于2004年3月 與iec標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了一致性的調(diào)整(例焊錫試驗(yàn)方法(平衡法)jis c 0053->jis c 60068-2-54)。關(guān)于無(wú)鉛焊標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)鉛焊試驗(yàn)方法第2部第7部(jis z3198-1

4、31987)在2003年6月被制定。具體為：無(wú)鉛焊試驗(yàn)方法(jis z 3198-13198-7)第1部熔融溫度范圍測(cè)定方法第2部機(jī)械特性試驗(yàn)方法-拉力試驗(yàn)第3部擴(kuò)散試驗(yàn)第4部采用wetting balance法及接觸角法的潤(rùn)濕性試驗(yàn)方法第5部焊接處的拉斷及剪切試驗(yàn)方法第6部qfp管腳焊接處45°拉斷試驗(yàn)方法第7部集成部件焊接處剪切試驗(yàn)本文，在無(wú)鉛焊潤(rùn)濕性試驗(yàn)中，采用的試驗(yàn)方法是第4部及第5、6、7部的強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定方法。2 wetting balance法及測(cè)定實(shí)例2.1測(cè)定原理在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)采用的試驗(yàn)法中，將試件浸入到焊錫屮，試件周圍就會(huì)受到潤(rùn)濕力f（見(jiàn)圖1）的作用。通過(guò)測(cè)量這個(gè)力，就

5、可以 對(duì)潤(rùn)濕的速度、最大潤(rùn)濕力等可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。f= （ 7 cos6 l-vpg） 10-2 （1）7 :表面張力v:浸入體積0 :接觸角p :密度l:周圍長(zhǎng)度g:重力加速度2.2評(píng)價(jià)方法一試件從焊錫上方任意位置浸入焊錫時(shí)，將會(huì)得到像圖2所示的潤(rùn)濕性曲線。試件從液面浸入、將會(huì)受到方向向上的浮力（& >90°）作用，進(jìn)一步潤(rùn)濕（& <90°），試件周圍形成雙曲線凹面。相對(duì)于潤(rùn)濕的速度而言，評(píng)價(jià)方法就是：測(cè)定試件與液面接觸 開(kāi)始，到6 90。為止的時(shí)間（t0）及液面接觸開(kāi)始到達(dá)最大的潤(rùn)濕力的2/3處的時(shí)間（t1）。并且，求出試件從焊錫中拔出時(shí)的

6、潤(rùn) 濕力（fend）和最大潤(rùn)濕力（fmax）的比。當(dāng)比値fend/fmax0.8時(shí)，就可以斷定有潤(rùn)濕現(xiàn)象發(fā)生。2.3評(píng)價(jià)方法二用wetting balance法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)測(cè)試對(duì)象或目的的不同有多種方法，圖3是對(duì)表面封裝部件（smd）進(jìn)行試驗(yàn)后的評(píng) 價(jià)方法。焊錫小球法是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)iec60068-2-69，jis c 6068-2-69，jei-ta7401而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法。具體的，在鋁塊上制作 焊錫小球，從而完成對(duì)浸入焊錫小球屮的部件的測(cè)試。階梯升溫法及急速加熱法是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)eiaj et 7404而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法。以 焊錫膏作為測(cè)試對(duì)象，對(duì)其潤(rùn)濕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。階梯升溫法是在試驗(yàn)板上，先涂上焊

7、錫膏，smd浸入其中，焊錫膏的溫度變化和回 流焊的溫度變化一致的情況下，達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)，對(duì)其潤(rùn)濕力進(jìn)行測(cè)定；急速加熱法則是焊錫汙溫度在短!時(shí)問(wèn)內(nèi)上升到熔融狀態(tài)時(shí)， 對(duì)其潤(rùn)濕力進(jìn)行測(cè)定的方法。2.4潤(rùn)濕性試驗(yàn)舉例圖4是各種焊錫潤(rùn)濕性試驗(yàn)的結(jié)果。在試件（脫磷酸銅10x30x0.3）、助焊劑、試驗(yàn)條件一定的情況下，根據(jù)焊錫種類的不同， 將得到不同的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥吹?，各結(jié)果的潤(rùn)濕力兒乎都一樣，但過(guò)零時(shí)間（t0）的差別比較大。具體的，sn-37pb t0=ls，s n-0.7cu t0=3s，sn-3.5ag to = 1.6s，sn-3ag-2bi to = 1.4s。很明顯 sn-37pb 的潤(rùn)濕

8、性最好。sn-0.7cu 的過(guò)零吋間大約是它 的3倍，潤(rùn)濕性也就最差。sn-3.5ag和sn-3ag-2bi相比較，過(guò)零時(shí)i'可大體一樣，潤(rùn)濕性也相近。因此，潤(rùn)濕性優(yōu)劣的順序依次 是 sn-37pb sn-3ag-2bi，sn-3.5ag，sn-0.7cu。在以下的條件下，用焊錫小球法對(duì)部件0603c的潤(rùn)濕性的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5測(cè)定部件:0603c焊錫：sn-3ag-o.5cu溫度：245°c焊錫球:el (5mg)浸入深度：0.05mm浸入速度：0.1mm/s對(duì)微小的snd部件，比如像尺寸在0603以下，管腳很小的部件，在測(cè)試吋，一般浸入深度設(shè)定在0.2mm以下，試件和小球 的

9、距離也要很好的控制。測(cè)定的潤(rùn)濕力為0.25o.35mn。另外，在現(xiàn)有的各標(biāo)準(zhǔn)中，snd部件的尺寸最小到1005c，1005r，而06 03以下的部件尙未被標(biāo)準(zhǔn)化。圖6為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)jis z3198-4中規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)各種無(wú)鉛焊錫接觸角的測(cè)試結(jié)果舉例。具體的測(cè)試方法是，試件浸入焊 錫中后，對(duì)其周圍形成的內(nèi)圓角表面的反射進(jìn)行測(cè)暈。試驗(yàn)的試件、焊錫的種類、測(cè)量條件等勻圖4 一樣。（浸入時(shí)間為8s）測(cè)定 結(jié)果分別是 sn-37pb 39.6°，sn-0.7cu 52.3°sn 3.5ag0.5cu 49.7°，sn-3ag-2bi 49.6°。其順位與圖 4

10、潤(rùn)濕力測(cè)定結(jié)果的順位 是致的°即* sn0.7cu的接觸角最大* sn-3.5ag，sn-3ag-2bi的接觸角人體一樣。另外，需要說(shuō)明的是圖6所用的助焊劑分 別是非活性a和活性化的b。3焊接處強(qiáng)度試驗(yàn)3.1 45°拉斷試驗(yàn)圖7及圖8所示，是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)jis z 3198-6的規(guī)定而設(shè)計(jì)的45°拉斷試驗(yàn)方法。qfp試驗(yàn)要求測(cè)試的項(xiàng)目是，最大拉斷力、 破斷位置（管腳處、焊錫處、局部）。圖9表示的是試驗(yàn)中力的變化曲線，圖10是qfp ' sop等的測(cè)定結(jié)果。3.2集成部件焊接處強(qiáng)度試驗(yàn)圖11所示是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)jis z 3198-7而設(shè)計(jì)的對(duì)集成部件焊接處強(qiáng)度進(jìn)行剪

11、切試驗(yàn)的說(shuō)明。焊接在基板上的集成部件，被先 端半徑為r0.25的推具推斷，從而得到了最大推斷力和破斷時(shí)的位罔（焊錫部、界面、部件部）。3.3耐久試驗(yàn)基板的耐久試驗(yàn)是分別根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)jis c60068-2-21 eiajrcx-0104/101中所規(guī)定：在一定的條件下，基板彎曲時(shí)，對(duì)其電 氣、機(jī)械性能的試驗(yàn)方法：標(biāo)準(zhǔn)eiaj et-7407中所規(guī)定：對(duì)csp bga封裝狀態(tài)下，多次彎曲時(shí)，對(duì)其電氣、機(jī)械性能的試驗(yàn) 方法。圖12和圖13是管腳接合部的強(qiáng)度試驗(yàn)舉例。貝-體的是確定有無(wú)破斷的地方；焊接種類不同結(jié)果有無(wú)影響；與形狀有關(guān)否等。 圖14是在試驗(yàn)條件為：彎曲距離1mm，速度lmm/sec，彎曲次

12、數(shù)5 000次的情況下，試驗(yàn)結(jié)果的照片，很明顯看到的是，焊錫種類 不同，破斷的地方亦不同。3.4 bga接合強(qiáng)度試驗(yàn)圖15是bga接合強(qiáng)度試驗(yàn)方法，圖16是測(cè)量中的照片。同前所述耐久試驗(yàn)相同的試驗(yàn)方法有兩種。第-種，極限彎曲試驗(yàn)， 測(cè)定彎曲的距離和破斷個(gè)數(shù)。第二種，多次彎曲試驗(yàn)，測(cè)定彎曲的次數(shù)和破斷個(gè)數(shù)。3.5其他測(cè)定例圖17是手機(jī)按鍵的耐久試驗(yàn)，圖18是連接器拔插耐久試驗(yàn)。手機(jī)、數(shù)字照相機(jī)等使用的與外部相連的連接器、插口以及sd 存儲(chǔ)器，微型識(shí)字卡，pc卡等，這些接插部分必須保證幾萬(wàn)次的耐久次數(shù)。圖19是連接器端子部焊接合面的強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條 件：速度lmm/s，作用力5.5kg，作用時(shí)間2s，試驗(yàn)次數(shù)10 000次