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提供更精確控制的熱傳導(dǎo)。 表一、典型的無鉛焊錫特性合金熔點(diǎn)蠕變強(qiáng)度熔濕熱阻Sn/3.5Ag216221°C良好一般良好Sn/3.5Ag/0.7Cu共晶   Sn/3.5Ag/4.8Bi         Sn/5.8Bi139200°C一般一般良好Sn/7.5Bi/2.0Ag/0.5Cu &#

2、160;       Sn/0.7Cu227°C一般？     Sn/9.0Zn190199°C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鉛(lead-free)錫膏(solder paste)的特性和熔濕(wetting)參數(shù)。顯示各種無鉛材料(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Sn6

3、3/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，無鉛錫膏的擴(kuò)散范圍為7377%。Sn63/Pb37錫膏的回流條件是熔點(diǎn)溫度為183°C，在小元件上引腳的峰值溫度達(dá)到240°C，而大元件上得到210°C。可是，大小元件之間這30°C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2757°C時形成的。魷魚金屬可溶濕性通常在較高溫度時提高，所以這些條件對生產(chǎn)是有利的。可是，對于無鉛錫膏，比如Sn/Ag成分的熔點(diǎn)變成216221°C。這造成加熱的大元件引腳要高于230

4、6;C以保證熔濕。如果小元件上引腳的峰值溫度保持在240°C，那么大小元件之間的溫度差別減少到小于10°C。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)定的溫度曲線在整個印刷電路板(PCB)在線通過的過程中，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接觸角度時間(s)63Sn/37Pb260173.896.5Sn/3.5Ag260362.095.0Sn/5.0Sb280433.342.0Sn/58.0Bi195439.350.0Sn/50.0In2156314.2*Fro

5、m IPC Works'99, "Lead-free Solders" by Dr. 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)時間。這對BGA特別如此，其身體(和PCB)首先加熱。然后熱傳導(dǎo)到焊盤和BGA錫球，以形成焊點(diǎn)。例如，如果230°C的空氣作用在包裝表面 - 焊盤與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)過熱，在焊盤與BGA錫球被加熱形成焊接點(diǎn)的時候?；亓鳡t加熱系統(tǒng)兩種最常見的回流加熱方法是對流空氣與紅外輻射(IR, infrared radiation)。對流使用空氣作傳導(dǎo)熱量

6、的媒介，對加熱那些從板上“凸出”的元件，比如引腳與小零件，是理想的?？墒牵谠撨^程中，在對流空氣與PCB之間的一個“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]有控制，PCB和元件過熱可能發(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)、輻射和對流 - 只有后兩者可通過回流爐控制。通過輻射的熱傳導(dǎo)是高效和大功率的，如下面的方程式所

7、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)功率對熱源的溫度非常敏感，所以要求準(zhǔn)確控制。而對流加熱沒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)制對流加熱今天的最先進(jìn)的回流爐技術(shù)結(jié)合了對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8°C，同時在連續(xù)大量生產(chǎn)期間PCB之間的溫度差別可穩(wěn)定在大約1°C。IR + 強(qiáng)制對流的基本概念是，使用紅外作為主要的加熱源達(dá)到最佳的熱傳導(dǎo)，并且抓住對流的均衡加熱特性以減少元件與PCB之間的溫度差別。對

8、流在加熱大熱容量的元件時有幫助，諸如BGA，同時對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，(2)是小熱容量的元件。如果只使用一個熱源，不管是IR或者對流，將發(fā)生所示的加熱不一致。當(dāng)只有IR用作主熱源時，將得到實(shí)線所示的曲線結(jié)果。可是，虛線所描述的加熱曲線顯示了IR/強(qiáng)制對流系統(tǒng)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，這里增加強(qiáng)制對流的作用是，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特點(diǎn)是其更有效地傳導(dǎo)對流熱量給PCB的能力。圖四比較傳統(tǒng)噴嘴對流加熱與強(qiáng)制對流加熱的熱傳導(dǎo)特性。后面的技術(shù)可均勻地將熱傳導(dǎo)給PCB和元件，效率是噴嘴對流的三

9、倍。最后，不象用于較舊的回流焊接爐中的加熱棒和燈管型IR加熱器，這個較新一代的系統(tǒng)使用一個比PCB大許多的IR盤式加熱器，以保證均勻加熱(圖五)。PCB加熱偏差一個試驗(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盤式加熱器的回流時、只有對流加熱和使用結(jié)合IR/強(qiáng)制對流加熱的系統(tǒng)。對流回流產(chǎn)生在QFP140P與PCB之間22°C的溫度差(在預(yù)熱期間PCB插入后的70秒)。相反，通過結(jié)合式系統(tǒng)加熱結(jié)果只有7°C的溫度不一致，而45mm的BGA對流加熱結(jié)果是9°C的溫度差別，結(jié)合式系統(tǒng)將這個溫度差減少到3°

10、;C。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)回流時只有12°C，使用的是傳統(tǒng)的溫度曲線設(shè)定。這個差別使用梯形曲線可減少到8°C，如后面所述。(在連續(xù)大生產(chǎn)中，回流爐中的溫度不穩(wěn)定在使用無鉛錫膏時將有重大影響。試驗(yàn)已經(jīng)顯示尺寸為250x330x1.6mm的PCB、分開5cm插入，其峰值溫度在大約1°C之內(nèi)。) 最佳回流溫度曲線對于無鉛錫膏，元件之間的溫度差別必須盡可能地小。這也可通過調(diào)節(jié)回流曲線達(dá)到。用傳統(tǒng)的溫度曲線，雖然當(dāng)板形成峰值溫度時元件之間的溫度差別是不可避免的，但可以通過幾個方法來減少：延長預(yù)熱時間。這大大減少在形成峰值回流溫度之

11、前元件之間的溫度差。大多數(shù)對流回流爐使用這個方法?？墒牵?yàn)橹竸┛赡芡ㄟ^這個方法蒸發(fā)太快，它可能造成熔濕(wetting)差，由于引腳與焊盤的氧化。提高預(yù)熱溫度。傳統(tǒng)的預(yù)熱溫度一般在140160°C，可能要對無鉛焊錫提高到170190°C。提高預(yù)熱溫度減少所要求的形成峰值溫度，這反過來減少元件(焊盤)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引腳氧化。梯形溫度曲線(延長的峰值溫度)。延長小熱容量元件的峰值溫度時間，將允許元件與大熱容量的元件達(dá)到所要求的回流溫度，避免較小元件的過熱。使用梯形溫度曲線，如圖六所示，一個現(xiàn)代結(jié)合式回

12、流系統(tǒng)可減少45mm的BGA與小型引腳包裝(SOP, small outline package)身體的之間的溫度差到8°C。氮?dú)饣亓鳡t無鉛錫膏可能出現(xiàn)熔濕的困難，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)的無鉛錫膏在貼裝頂面和底面PCB時將產(chǎn)生問題。在A面回流焊接期間，越高的溫度B面焊盤氧化越嚴(yán)重。在200°C之上，氧化膜的厚度迅速增加，這可能導(dǎo)致在回流B面時熔濕性差。具有Sn/Zn成分的錫膏也可能出現(xiàn)問題(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?，以維持無鉛

13、工藝的高生產(chǎn)力。在以IR盤式加熱器為主要熱源的結(jié)合式IR/強(qiáng)制對流系統(tǒng)中(對流是均勻加熱媒介)，氮?dú)獾南目蓽p少到少于現(xiàn)在全對流回流爐所要求的一半數(shù)量。(可接納450mm寬度PCB的爐的最大氮?dú)庀臑槊糠昼?00升。)一個可選的內(nèi)部氮?dú)獍l(fā)生器可消除大的氮?dú)馔暗男枰?。自動過程監(jiān)測除了要求下一代的爐子技術(shù)之外，窄小的無鉛工藝窗口使得必須要做連續(xù)的工藝過程監(jiān)測，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)測回流焊接工藝的最有效方法是用自動、連續(xù)實(shí)時的溫度管理系統(tǒng)。該實(shí)時溫度管理系統(tǒng)允許裝配者通過連續(xù)的監(jiān)測在回流爐中的過程溫度，獲得和分析其焊接過程的實(shí)時數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)通常由30個嵌入兩個細(xì)長

14、不銹鋼探測器的熱電偶組成，探測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)測過程溫度，每五秒記錄讀數(shù)。這些溫度在爐子控制器的PC屏幕上作為過程溫度曲線顯示出來(圖七)。實(shí)時溫度管理系統(tǒng)通過產(chǎn)生一個由穿過式測溫儀測定的溫度曲線與由實(shí)時溫度管理熱電偶探測器所測量的過程溫度之間的數(shù)學(xué)相關(guān)性，來提供對每個處理板的產(chǎn)品溫度曲線。來自實(shí)時溫度管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可通過互聯(lián)網(wǎng)來發(fā)送到遠(yuǎn)方位置，最大利用這種稀有工程資源的價值。實(shí)時連續(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)的計劃。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代強(qiáng)制對流爐可以有效地工作時間延長，而不需要維護(hù)。實(shí)時溫度管理系統(tǒng)

15、的使用立即提醒使用者爐的性能變差，允許要求時的預(yù)防性維護(hù)計劃。最后，嚴(yán)密控制的溫度過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)時溫度管理已經(jīng)成為工業(yè)范圍的專用品質(zhì)指示器?；亓鳒囟惹€優(yōu)化現(xiàn)在先進(jìn)的軟件可簡化轉(zhuǎn)換到無鉛裝配的任務(wù)。在較新的軟件中，有一個自動溫度曲線預(yù)測工具，它允許使用者在數(shù)分鐘內(nèi)決定最佳的溫度曲線。該工具將曲線放在由希望設(shè)定規(guī)定界限的使用者設(shè)定的窗口中央。一個例子是前面提到的梯形曲線 - 即，如果裝配不能忍受高于240°C的溫度但必須最少230°C，那么該自動預(yù)測工具將找出一條最佳的溫度曲線，介于高限位與低限位之間的中央。結(jié)論無鉛錫膏的使用將大大減

16、少回流工藝窗口，特別是對于要求的峰值溫度。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)，通過回流爐的溫度傳導(dǎo)必須精確控制。一個具有單獨(dú)與精密控制的各個加熱單元的結(jié)合式IR/強(qiáng)制對流系統(tǒng)，提供要求用來可靠地處理無鉛裝配的方法。當(dāng)與自動溫度曲線預(yù)測工具和連續(xù)實(shí)時溫度管理系統(tǒng)相結(jié)合時，該回流技術(shù)為未來的無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，焊錫作為所有三個連接級別：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

17、為或者含鉛的或者無鉛的(lead-free)?，F(xiàn)在，元件和PCB在無鉛系統(tǒng)中已經(jīng)找到可行的替代錫/鉛材料的表面涂層?？墒菍τ谶B接材料，對實(shí)際無鉛系統(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，以及焊接點(diǎn)的性能因素，后面有無鉛焊錫的一個簡要討論。焊錫通常描述為液相溫度低于400°C(750°F)的可熔合金。芯片級別(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、

18、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的溫度忍耐級別，附著元件和IC封裝的板級焊錫只局限于共晶、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(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范疇內(nèi)考慮：物理、冶金和機(jī)械。物理特性對于今天的封裝和裝配，五個物理特性是特別重要的：11. 冶金學(xué)相轉(zhuǎn)變(phase-transition)溫

19、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對軟化溫度。對于一個給定的成分，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)溫度上限兩倍的液相線。隨著服務(wù)溫度接近液相線，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中的性能。從定義上，導(dǎo)電性是在一個電場中充電的離子(電子)從一個位置移動到另一個位置的運(yùn)動。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。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性減

20、少，隨著溫度升高電子的可移動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，對絕緣體，以聲子活動為主。)焊錫的導(dǎo)熱性隨著溫度增加而減少。 4. 自從表面貼裝技術(shù)的開始，溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermal expansion)問題已經(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。一個典型的裝配由一塊FR-4板、焊錫和無引腳或有引腳元件組成。它們各自的CTE是16.0x10-6/°C(FR-4)、23.0x

21、10-6/°C(Sn63/Pb37)、16.5x10-6/°C(銅引腳)、和6.4x10-6/°C(Al2O3無引腳元件)。在溫度的波動和電源的開與關(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)致過早失效。兩個主要的材料特性決定CTE的幅度，晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)。當(dāng)材料具有類似的晶格結(jié)構(gòu)時，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，在表面分子之間作用的吸引力相對強(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。對于用來熔濕焊盤的熔化

22、焊錫，焊盤的表面必須具有比熔化的焊錫較高的能量。換句話說，熔化金屬的表面能量越低(或金屬焊盤的表面能量越高)，對熔濕越有利。注意：上助焊劑就是要增加焊盤的表面能量而不是象有時在文章中那樣說的減低。 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)象包括幾個明顯的變化。11. 塑性變形。當(dāng)焊錫暴露在作用力下，如機(jī)械或熱應(yīng)力，它會進(jìn)行不可逆變的塑性變形。通常通過在焊錫晶體結(jié)構(gòu)的許多平行平面上的剪切變形開始，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

23、性變形的結(jié)果。 3. 恢復(fù)過程是應(yīng)變硬化的反現(xiàn)象?；謴?fù)是一個軟化事件，即，焊錫傾向于釋放所儲存的應(yīng)變能量。該過程是熱動力學(xué)推動的，一個以快速率開始、以較低速率進(jìn)行的能量釋放過程。這樣，對焊點(diǎn)缺陷敏感的無論特性傾向于恢復(fù)到其最初的值?？墒牵@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)常觀察到的另一個現(xiàn)象。它經(jīng)常發(fā)生在相對高的溫度，并涉及從應(yīng)變材料釋放比恢復(fù)過程較高的能量。還有，在重結(jié)晶期間，形成一套新的基本上無應(yīng)變的晶體結(jié)構(gòu)，它明顯涉及晶核形成與增生的過程。重結(jié)晶所要求的溫度一般落在材料的絕對熔點(diǎn)的三分之一到二分之一范圍內(nèi)。 5. 固溶硬化(solution-har

24、dening)，或固體溶解合金，造成屈服應(yīng)力的增加。固溶硬化的一個現(xiàn)成例子是，當(dāng)Sn/Pb成分通過銻(Sb)添加來強(qiáng)化時，如圖一所示。 6. 沉淀硬化(precipitation-hardening)包括強(qiáng)化作用，它來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)械性能焊錫的三個基本機(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)變可以通過張力、壓力或剪力來施加，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)時造成的整體塑性變形。這個決定于時間的

25、變形可能在絕對零度之上的任何溫度發(fā)生。可是，懦變現(xiàn)象只是在“活躍”溫度時才便得重要。疲勞是在交替應(yīng)力之下的合金失效。一個合金在循環(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，焊錫沒有永久變形將抵抗的靜態(tài)應(yīng)力，與抗疲勞性無關(guān)。疲勞破裂通常從幾個小裂紋開始，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。熱力疲勞是用來刻劃焊錫特性的另一個測試模式。它將材料經(jīng)受循環(huán)的溫度極限，即，一個溫度疲勞測試模式。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)計人們清楚地認(rèn)

26、識到，焊接點(diǎn)的可靠性不僅依靠固有特性，而且依靠設(shè)計、要裝配的元件與板、用來形成錫點(diǎn)的工藝和長期服務(wù)的條件。進(jìn)一步，焊接點(diǎn)預(yù)計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)形成時在元素或冶金化合物中的濃度梯度。無任哪一種條件都可能導(dǎo)致一個反映缺乏均質(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)計也可重大影響焊接點(diǎn)的性能。例如，與焊盤有關(guān)的阻焊層(solder mask)(

27、如一個限定的或不限定的阻焊層)的設(shè)計，將影響焊接點(diǎn)燈性能以及失效機(jī)制。對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始，第二個斷裂在腳尖區(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。另一個重要的因素是系統(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

28、比其聚合物膠替代品要有效得多(如表中預(yù)計的導(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/m°K)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)通過高質(zhì)量的工藝適當(dāng)?shù)匦纬蓵r，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。失效模式雖系統(tǒng)的組成而變化，如封裝類型(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)計因素。功率不斷提高的芯片和現(xiàn)代設(shè)計不斷變密的電路進(jìn)一步要求在焊接點(diǎn)的抗溫度疲勞的更好性能。無鉛焊錫對無鉛焊錫的興趣水平隨著時

29、間而變化，從熾熱到冷淡。有關(guān)無鉛焊錫合金發(fā)展的詢問數(shù)量也似乎直接與美國國會或者在其他國家的法律團(tuán)體內(nèi)部的事件成比例7。雖然法律的影響不會小，但是，發(fā)展無鉛焊錫的另一個、可能更重要的目的是要將軟的焊錫推向一個新的性能水平。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。這個老化經(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，它反過來與Pb或富Pb相緊密相關(guān)。如果消除鉛，對于經(jīng)受溫度循環(huán)的無鉛焊接點(diǎn)的損壞機(jī)制會改變嗎？在沒有其他主要失效條件(金屬間化合物、接合差、過多空洞，等)時，在溫度疲勞環(huán)境下的無鉛焊點(diǎn)失效機(jī)制涉及晶粒粗糙很可

30、能不會達(dá)到錫/鉛相同的程度。無鉛焊錫實(shí)際上應(yīng)該設(shè)計成防止晶粒粗糙，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。圖三通過兩種無鉛合金比較溫度疲勞無鉛焊接點(diǎn)的強(qiáng)度，顯示沒有粗糙的出現(xiàn)。已經(jīng)介紹了各種無鉛成分1。多數(shù)似乎至少在一個區(qū)域失效：例如它們可能缺少本來的能力來展示在焊接期間的即時流動和良好的熔濕性能；熔化溫度可能太高，超過普通使用的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、具有滿足制造要求能力的無鉛合金才作為工作材料。從19901994年，在美國鉛的法律法規(guī)在聯(lián)邦與州都是當(dāng)時的議程，雖然實(shí)際的運(yùn)動已經(jīng)相對停滯。另一方面，日本最近的“家用電子再生

31、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別實(shí)施無鉛焊接。似乎工業(yè)確實(shí)在走近“綠色制造”的理想。無鉛的真正成本 本文，直接分析無鉛焊錫的成本。本文又要談一談無鉛(lead-free)。但我的主題不是要海闊天空地談?wù)撌裁瓷鷳B(tài)、財政、感情和政治。這方面的主題太多了。雖然大多數(shù)的無鉛討論都是集中在焊接上面，但是我們應(yīng)該記住，無鉛這一舉動也會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。鉛相對便宜，一般地說，沒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)識到，銀和銅比鉛更貴。盡管不是標(biāo)準(zhǔn)

32、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材料密度當(dāng)看到各種合金的單位體積價格時(表一)，你會發(fā)現(xiàn)與Sn63/Pb37焊錫合金的基準(zhǔn)價格相差懸殊。焊錫不是按體積購買的，而是按重量 - 錫膏論公斤；錫條和錫線論磅。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

33、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，以重量來銷售焊錫造成實(shí)際成本的下降。表二、最常考慮的替代合金 Alloy Melting Range (°C) Metal Cost/lb (US$) Density at 25°C (lbs/in3) Metal Cost per in3 (US$) Metal Cost per in3 Sn63/Pb37 Sn62/Pb37 183 2.37 0.318 0.75 0% Sn42/Bi58 139 3.44 0.316 1.09 +45% Sn77.2/In20/Ag2.8 179-189 30.06 0.267 8.02 +970% Sn91/Zn9 199 3.23 0.263 0.85 +13% Sn91.8/Ag3.4/Bi4.8 208-115 6.2