開發(fā)高性能無(wú)鉛波峰焊料合金的重點(diǎn)

1、11/11開發(fā)高性能無(wú)鉛波峰焊料合金的重點(diǎn)在開發(fā)高性能無(wú)鉛波峰焊料合金時(shí)，研究人員必須評(píng)估四項(xiàng)要緊特性：工藝良率、銅浸出率、浮渣形成和熱機(jī)械可靠性。 波峰焊是電子工業(yè)中許多領(lǐng)域的關(guān)鍵工序，轉(zhuǎn)移使用無(wú)鉛生產(chǎn)蘊(yùn)藏著一些成本因素，其中之一是焊料合金的成本和性能，單單使用錫銅合金就會(huì)讓用戶的合金成本增加一倍以上，而且由于其工藝良率不佳，因此會(huì)造成更大的阻礙。與錫鉛合金相比，目前可用的錫銀銅(SAC) 合金將使合金成本提高三倍以上，然而通常在工藝良率方面比錫銅系列好得多。許多任務(wù)廠就因?yàn)槟莻€(gè)理由而選擇了較貴的合金，因?yàn)楣に囆阅芘c企業(yè)的周功和生存息息相關(guān)。那個(gè)選擇造成的兩難境況已成為開發(fā)新合金系列的推動(dòng)力

2、，激勵(lì)業(yè)界開發(fā)一種既能實(shí)現(xiàn)諄工藝良率、又不如SAC合金系列那么昂貴的新型合金。選擇合金 無(wú)鉛波峰焊接工藝現(xiàn)在處于早期開發(fā)時(shí)期，據(jù)可能，目前使用無(wú)鉛合金的波峰焊槽不足5在開發(fā)高性能無(wú)鉛焊料合金時(shí)，研究人員必須評(píng)估要緊特性，以及什么材料變量會(huì)構(gòu)成這些特性(表1)。表1 阻礙波峰焊接工藝良率的材料變量 錫銀銅(SAC)可為波峰焊接過(guò)程提供最好的工藝良率，而且許多用戶信賴SAC的良好可靠性。目前這是最受歡迎的波峰焊料合金系，然而3 的銀含量使其單位材料成本比較高。 錫銅共晶合金的成本低于SAC合金，但差不多銅錫合金及其改性變種的工藝良率一貫比不上SAC合金。 因此，在研發(fā)新合金的配方設(shè)計(jì)時(shí)，必須同時(shí)提

3、供較低的單位材料成本，以及相當(dāng)?shù)墓に嚵悸省⒃O(shè)備兼容性、組件與電路板兼容性和可靠性。工藝性能要求 研發(fā)新合金的配方時(shí)需要滿足的工藝性能包括： 1.固相線液相線溫度：層壓電路板和組件受最高工作溫度所限，假如高于那個(gè)溫度，電路板和組件就會(huì)損壞。該項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，每個(gè)合金系列在這些溫度約束范圍和工藝窗口內(nèi)的適用性； 2.粉末合金的機(jī)械特性：這包括硬度、最大載荷應(yīng)力和延伸率。這些特性綜合起來(lái)表明焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度： 3.潤(rùn)濕速度：潤(rùn)濕平衡試驗(yàn)通常用來(lái)測(cè)量組件?？珊感酝瑫r(shí)作為開發(fā)和試驗(yàn)助焊劑的輔助工具，然而只要保持試驗(yàn)變量不變，就能把潤(rùn)濕試驗(yàn)當(dāng)作衡量合金性能的一個(gè)相對(duì)尺度：潤(rùn)濕速度較快能夠縮短焊料的接觸時(shí)刻，從而

4、加快生產(chǎn)速度并減少電路板銅覆層的溶解。 4.銅溶解速率：PCB的銅覆層以那個(gè)速度溶入波峰焊接槽，這是無(wú)鉛工藝的一個(gè)專門重要的問(wèn)題，特不是在使用Cu OSP焊盤表面處理的情況下更為突出。過(guò)去SnPb焊接過(guò)程中，銅溶解濃度達(dá)到0.3左右，焊槽便達(dá)到了平衡點(diǎn)。在無(wú)鉛焊接過(guò)程中，由于錫槽溫度和錫含量較高而加速銅的溶解。銅濃度上升使液線溫度提高因此不得不提高錫槽溫度，才能保證溫度高于液相線(以保持工藝良率)。然而，如此做又會(huì)加快銅溶解，從而造成惡性循環(huán)。因此，必須適當(dāng)操縱焊槽中的銅含量,以保證工藝良率。工藝良率所有專業(yè)生產(chǎn)人員都明白，材料成本與材料對(duì)工藝良率的阻礙相比幾乎算不了什么，工藝良率一旦發(fā)生跳變

5、，就會(huì)對(duì)生產(chǎn)線的盈利能力造成特不嚴(yán)峻的阻礙，合約式的電子制造商(CEM)對(duì)此感受尤深。表2濕潤(rùn)平衡試驗(yàn)結(jié)果表3 銅溶解速率 在波峰焊接過(guò)程中，焊接缺陷數(shù)量與助焊劑、合金、合金純度、PCB組件表面處理、PCB設(shè)計(jì)布局以及環(huán)境和工藝設(shè)置之間存在原有的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在向無(wú)鉛波峰焊過(guò)渡的過(guò)程中，我們正在轉(zhuǎn)向一個(gè)逐漸縮小的工藝窗口， 因此，工藝技術(shù)人員的重要任務(wù)之一是擴(kuò)展工藝窗口，使工藝過(guò)程能夠獲得令人中意的結(jié)果(輸出)，同時(shí)最大限度地減小成本的阻礙(輸入)。 如上所述，合金的某些要緊特性對(duì)波峰焊接效果有著顯著的阻礙。潤(rùn)濕速度較慢和流淌性較差，可能轉(zhuǎn)化成漏焊或局部潤(rùn)濕缺陷的增多。漏焊在在線測(cè)試(ICT) 或

6、功能驗(yàn)證測(cè)試(FVT)中可能未被發(fā)覺(jué)，因?yàn)橐€末端與PCB焊盤之間可能存在斷續(xù)的電接觸。 錫橋會(huì)對(duì)電路的功能性造成恒久的阻礙，只是用人工或自動(dòng)檢驗(yàn)方法都能容易地檢測(cè)出來(lái)。在目前大部分無(wú)鉛制造工藝中都發(fā)覺(jué)了錫橋缺陷增加，而且要緊是由于合金表面張力較大，造成焊點(diǎn)回流不良。這兩種嚴(yán)峻缺陷 (錫橋和漏焊)的自然補(bǔ)救方法是減慢焊接傳輸速度和提高錫槽和預(yù)熱溫度。減慢傳輸速度確實(shí)增加合金潤(rùn)濕焊點(diǎn)的機(jī)會(huì)，卻減慢了生產(chǎn)速度并會(huì)增加軟熔頂面組件的可能性，因此如此做有可能損壞焊點(diǎn)。 提高錫槽溫度顯然會(huì)增加合金的流淌性，從而改進(jìn)回流和減少錫橋。然而這種作法也有缺點(diǎn)：增加層壓電路板和組件受損與二次回流的機(jī)會(huì)，并提高銅溶

7、解率和浮渣形成速率。合金浮渣對(duì)波峰焊接過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性造成專門大的阻礙，雖講重要性比不上工藝良率，然而增加合金成本使浮渣問(wèn)題變得比往常更為重要，因此，設(shè)法減小成渣率成為每個(gè)工程師注意的焦點(diǎn)。 合金配方設(shè)計(jì)將阻礙合金的固有成渣率(drossing)。有6個(gè)易變因素阻礙成渣率：溫度、攪動(dòng)、周圍空氣、合金純度、合金調(diào)制和浮渣還原劑。 就合金純度而言，鋁、鋅和鎘含量高到50ppm會(huì)造成過(guò)多的浮渣。未經(jīng)攙雜的純凈原材料多半含有過(guò)量的懸浮氧化物，在合金熔融過(guò)程中通過(guò)多級(jí)化學(xué)處理對(duì)合金加以調(diào)制，能夠去除這些懸浮氧化物。成渣形式也專門重要，許多合金生成的浮渣飽含金屬，這種情況并不理想，因?yàn)樵诤覆鄢^(guò)程中浮渣把有

8、用的金屬都除去了。現(xiàn)時(shí)市面上有各種各樣的浮渣還原劑，按50至100ppm左右的量添加于波峰焊料合金，能夠使浮渣奇跡般地變成千粉，如此，除渣時(shí)便能夠幸免把有用的合金帶出去。潤(rùn)濕速度是波峰焊的一個(gè)重要因素，許多研究表明，在以排除氧氣的方式減小成渣率的同時(shí)，局部氣體惰性化能夠大大增加潤(rùn)濕速度，那個(gè)選擇方案能夠代替提高錫槽溫度。使用可靠性 PCB無(wú)鉛組裝過(guò)渡引發(fā)了無(wú)鉛合金焊點(diǎn)在使用中是否可靠的問(wèn)題。對(duì)渴望在質(zhì)量和可靠性上保持良好的聲譽(yù)的OEM來(lái)講，這種擔(dān)心是合理的。在那個(gè)項(xiàng)目下，試驗(yàn)分兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行，第一是評(píng)估焊點(diǎn)的強(qiáng)度，比如用力把組件從電路板上拉下來(lái)并測(cè)量拉斷所需要的力量。第二是進(jìn)行熱循環(huán)加速壽命試驗(yàn)

9、。依照PCB的最終用途，采納不同的熱循環(huán)曲線，其溫度從某些消費(fèi)電子產(chǎn)品可同意的0至80，以至使用在惡劣環(huán)境(如機(jī)罩或引擎罩下)的電子設(shè)備要求的-40至165，變化范圍不等。為新合金選擇的熱循環(huán)曲線介于上述條件之間-40至125，變化斜率2 0min，且在上下限溫度各保溫10分鐘表4浮渣試驗(yàn)結(jié)果表5工藝良率實(shí)驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)電路板是從工藝良率實(shí)驗(yàn)中選擇的，它們由帶有Cu 0SP焊盤表面處理的FR4電路板組成。被檢測(cè)的組件全部是表面貼裝片式電阻，選擇它們而非S0IC組件的緣故是：設(shè)想片式電阻焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度大于件上的鷗翼形引線。每塊電路板上共有1200只一流的鏈串接組件，每串50只，共形成24個(gè)電路。試

10、驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果 上表2至5是對(duì)四款合金系統(tǒng)：SAC305、Sn99.3Cu 0.7、改性Sn99.3Cu0.7(SnCuNi)以及 Sacx0307進(jìn)行的研究，評(píng)估無(wú)鉛焊接工藝的四個(gè)要緊特性：工藝良率、銅浸出率、浮渣形成和熱機(jī)械可靠性。 波峰焊實(shí)驗(yàn)使用了測(cè)試電路板(專門設(shè)計(jì)較復(fù)雜，以區(qū)分不同加工條件下的差異)、三種助焊劑(包括水基和醇基配方)和兩種電路板表面處理(銅0SP和浸銀處理)。 試驗(yàn)電路板是從工藝良率實(shí)驗(yàn)中選擇的，它們由帶有Cu 0SP焊盤表面處理的FR4電路板組成。被檢測(cè)的組件全部是表面貼裝片式電阻，選擇它們而非SOIC組件的緣故是：設(shè)想片式電阻焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度大于SOIC組件上的鷗翼形

11、引線。每塊電路板上共有l(wèi)200只一流的鏈串接組件，每串50只，共形成24個(gè)電路。 表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果按缺陷發(fā)生率最低到最高的次序排列，缺陷總數(shù)指5塊板的缺陷總數(shù)；相對(duì)一列表示與最佳性能組合之差的百分比。試驗(yàn)板在設(shè)計(jì)上考慮到了區(qū)分不同的配置而且在那個(gè)方面專門奏效。依照結(jié)果數(shù)據(jù)可得出如下論點(diǎn)： 1.研發(fā)合金ALPHA Vaculoy SACK0307性能優(yōu)于改性Sn99.3Cu0.7(SnCuNi)和標(biāo)準(zhǔn)Sn99.3Cu0.7合金。 2.就缺陷總數(shù)而論，ALPHA SACx0307、EF4l02助焊劑和ImAg電路板涂覆劑組合排名第二，缺陷總數(shù)僅比最佳組合SAC305、EF4102助焊劑和ImAg電路板

12、涂覆劑多7。表現(xiàn)最好的SnCu合金是改性Sn99.3Cu0.7(SnCuNi)，然而它與EF4102助焊劑和ImAg表面處理組合實(shí)驗(yàn)時(shí)，缺陷總數(shù)比最佳組合高出61。 3. 改性Sn99.3CuO.7(SnCuNi)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) mn99.3Cu0.7。 簡(jiǎn)言之，在工藝良率評(píng)價(jià)中，研發(fā)合金 ALPHAVaculoy SACX0307幾乎可與SAC305合金媲美。結(jié)語(yǔ) 無(wú)鉛波峰焊差不多進(jìn)展為兩個(gè)要緊的合金體系：SnkgCu(錫銀銅) 體系(通常含銀量達(dá)3至4)和基于SnCu(錫銅)共晶體系。假如按照用戶的價(jià)值方程式來(lái)衡量，二者都存在固有的缺陷。 含銀3至4的SnAgCu體系可提供良好的可靠生和工藝良率

13、，但原材料的成本昂貴。作為替代品的SnCu共晶體系及其改性合金(SnCuNi) 的原材料成本楚低，但其工藝良率和焊接可靠性存在問(wèn)題。為了克服現(xiàn)有焊料體系的缺點(diǎn)，確信電子開發(fā)出新型焊料合金SACX0307。SACX0307波峰焊料合金的性能與SAC305相似，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Sn99.3Cu 0.7合金系，且原材料成本低于SAC305。要緊量度標(biāo)準(zhǔn)： 1.潤(rùn)濕速度高于Sn99.3Cu0.7合金系，使之在上述試驗(yàn)和后來(lái)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出專門好的焊接效果。 2.銅溶解速率低于Sn99.3Cu0.7合金系和SAC305。 3.工藝良率與SAC305不相上下，勝過(guò)Sn99.3Cu0.7合金系。 4.浮渣率與其它無(wú)鉛合金相當(dāng)。 5.焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度高于Sn99.3Cu0.7合金系和 SAC305。 6.可靠性等同于Sn99.3CuO.7合金系和SAC305(試驗(yàn)仍在進(jìn)行之中)。 試驗(yàn)結(jié)果講明，SACX0307無(wú)鉛合金將提供較低的總生產(chǎn)成本，因此能夠滿足無(wú)鉛焊接工藝的市場(chǎng)需要。 關(guān)于許多電子裝配