開(kāi)發(fā)高性能無(wú)鉛波峰焊料合金的重點(diǎn)

11開(kāi)發(fā)高性能無(wú)鉛波峰焊料合金的重點(diǎn)在開(kāi)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)主要特性：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)藏著一些本錢(qián)因素，其中之一是焊料合金的本錢(qián)和性能，單單使用錫銅合金就會(huì)讓用戶的合金本錢(qián)增加一倍以上，而且由于其工藝良率不佳，所以會(huì)造成更大的影響。與錫鉛合金相比，目前可用的錫／銀／銅(SAC)

合金將使合金本錢(qián)提高三倍以上，但是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)檫@個(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)。這個(gè)選擇造成的兩難境況已成為開(kāi)發(fā)新合金系列的推動(dòng)力，鼓勵(lì)業(yè)界開(kāi)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(kāi)發(fā)階段，據(jù)估計(jì)，目前使用無(wú)鉛合金的波峰焊槽缺乏5％．在開(kāi)發(fā)高性能無(wú)鉛焊料合金時(shí)，研究人員必須評(píng)估主要特性，以及什么材料變量會(huì)構(gòu)成這些特性(表1)。

表1

影響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。目前這是最受歡送的波峰焊料合金系，但是3％

的銀含量使其單位材料本錢(qián)比擬高。

錫／銅共晶合金的本錢(qián)低于SAC合金，但根本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)提供較低的單位材料本錢(qián)，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，如果高于這個(gè)溫度，電路板和組件就會(huì)損壞。該項(xiàng)數(shù)據(jù)說(shuō)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)說(shuō)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?？珊感圆⑶易鳛殚_(kāi)發(fā)和試驗(yàn)助焊劑的輔助工具，但是只要保持試驗(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)濕速度較快可以縮短焊料的接觸時(shí)間，從而加快生產(chǎn)速度并減少電路板銅覆層的溶解。

4.銅溶解速率：PCB的銅覆層以這個(gè)速度溶入波峰焊接槽，這是無(wú)鉛工藝的一個(gè)很重要的問(wèn)題，特別是在使用CuOSP焊盤(pán)外表處理的情況下更為突出。過(guò)去Sn／Pb焊接過(guò)程中，銅溶解濃度到達(dá)0.3左右，焊槽便到達(dá)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，這樣做又會(huì)加快銅溶解，從而造成惡性循環(huán)。因此，必須適當(dāng)控制焊槽中的銅含量,以保證工藝良率。工藝良率

所有專業(yè)生產(chǎn)人員都知道，材料本錢(qián)與材料對(duì)工藝良率的影響相比幾乎算不了什么，工藝良率一旦發(fā)生跳變，就會(huì)對(duì)生產(chǎn)線的盈利能力造成非常嚴(yán)重的影響，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／組件外表處理、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)程能夠獲得令人滿意的結(jié)果(輸出)，同時(shí)最大限度地減小本錢(qián)的影響(輸入)。

如上所述，合金的某些主要特性對(duì)波峰焊接效果有著顯著的影響。潤(rùn)濕速度較慢和流動(dòng)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)

或功能驗(yàn)證測(cè)試(FVT)中可能未被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橐€末端與PCB焊盤(pán)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影響，不過(guò)用人工或自動(dòng)檢驗(yàn)方法都能容易地檢測(cè)出來(lái)。在目前大局部無(wú)鉛制造工藝中都發(fā)現(xiàn)了錫橋缺陷增加，而且主要是由于合金外表張力較大，造成焊點(diǎn)回流不良。這兩種嚴(yán)重缺陷

(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)的時(shí)機(jī)，卻減慢了生產(chǎn)速度并會(huì)增加軟熔頂面組件的可能性，因此這樣做有可能損壞焊點(diǎn)。

提高錫槽溫度顯然會(huì)增加合金的流動(dòng)性，從而改良回流和減少錫橋。但是這種作法也有缺點(diǎn)：增加層壓電路板和組件受損與二次回流的時(shí)機(jī)，并提高銅溶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)性造成很大的影響，雖說(shuō)重要性比不上工藝良率，但是增加合金本錢(qián)使浮渣問(wèn)題變得比以前更為重要，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)將影響合金的固有成渣率(drossing)。有6個(gè)易變因素影響成渣率：溫度、攪動(dòng)、周圍空氣、合金純度、合金調(diào)制和浮渣復(fù)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)攙雜的純潔原材料多半含有過(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，可以去除這些懸浮氧化物。成渣形式也很重要，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)程中浮渣把有用的金屬都除去了。現(xiàn)時(shí)市面上有各種各樣的浮渣復(fù)原劑，按50至100ppm左右的量添加于波峰焊料合金，可以使浮渣奇跡般地變成千粉，這樣，除渣時(shí)便能夠防止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，許多研究說(shuō)明，在以排除氧氣的方式減小成渣率的同時(shí)，局部氣體惰性化可以大大增加潤(rùn)濕速度，這個(gè)選擇方案可以代替提高錫槽溫度。杜使用搭可靠爭(zhēng)性

害

嬌

批PC附B無(wú)蔥鉛組還裝過(guò)污渡引佩發(fā)了園無(wú)鉛障合金油焊點(diǎn)躺在使偷用中垃是否原可靠鄭的問(wèn)學(xué)題。切對(duì)渴逃望在泡質(zhì)量畜和可條靠性盛上保豈持良桃好的戲聲譽(yù)欣的O柏EM利來(lái)說(shuō)類，這畏種擔(dān)吊心是翻合理英的。賀在這濱個(gè)項(xiàng)拉目下鋪，試巡驗(yàn)分妙兩個(gè)般階段艇進(jìn)行刪，第茄一是觀評(píng)估像焊點(diǎn)枝的強(qiáng)著度，牌比方內(nèi)用力劍把組污件從爬電路嬸板上膽拉下攻來(lái)并相測(cè)量恢拉斷司所需霜要的客力量稅。第陣二是度進(jìn)行步熱循犧環(huán)加肆速壽憶命試義驗(yàn)。泡根據(jù)毒PC弊B的均最終簡(jiǎn)用途合，采肉用不看同的休熱循勒環(huán)曲梢線，湯其溫嗽度從肚某些荒消費(fèi)爪電子符產(chǎn)品隨可接屢受的朋0至起80紙℃維，以領(lǐng)至使孟用在軍惡劣晴環(huán)境醒(如綢機(jī)罩怎或引觸擎罩檔下)聞的電乘子設(shè)四備要鉤求的晝-4粱0至列16罷5韻℃廚，變提化范局圍不滋等。波為新庸合金賊選擇傘的熱辛循環(huán)館曲線追介于奏上述壺條件般之間便-4算0至削12考5無(wú)℃擱，變乏化斜狀率<算2臂0灑℃黨／m燙in跳，且躬在上拉下限揮溫度作各保這溫1艘0分孫鐘．

典表4朝浮渣辨試驗(yàn)患結(jié)果

傲表5聾工藝際良率域?qū)嶒?yàn)內(nèi)結(jié)果

社

貪

稈試廳驗(yàn)電扮路板東是從際工藝瞎良率瑞實(shí)驗(yàn)差中選都擇的躍，它膚們由鋼帶有邊Cu元0嶄SP肌焊盤(pán)叨外表滔處理票的F至R4適電路章板組絕成。姐被檢曠測(cè)的懷組件蔽全部賊是表挎面貼懂裝片防式電曠阻，條選擇昆它們寬而非核S0義IC李組件倍的原貫因是拆：設(shè)島想片競(jìng)式電點(diǎn)阻焊秩點(diǎn)的嚇抗拉漆強(qiáng)度冷大于錄件上劃的鷗狂翼形罪引線辛。每振塊電蓋路板匹上共租有1杜20綱0只蜘一流魚(yú)的鏈負(fù)串接跌組件赤，每冰串5霸0只皺，共鳳形成陸24百個(gè)電紛路。偵試驗(yàn)啄設(shè)計(jì)頂和結(jié)謊果

買(mǎi)

振

昏上表么2至叨5是孝對(duì)四及款合艘金系槽統(tǒng)：飛SA還C3辰05把、S歉n9打9.紅3／疊Cu熔0澇.7亮、改外性S獲n9兇9.咬3／煉Cu勵(lì)0.涉7(搬Sn瞎／C誰(shuí)u／蠶Ni革)以瀉及卵Sa端cx株03桌07壁進(jìn)行置的研承究，惱評(píng)估弱無(wú)鉛中焊接鳳工藝海的四百個(gè)主壺要特著性：近工藝秤良率街、銅寨浸出傳率、館浮渣歷形成軌和熱朱／機(jī)瞧械可瓣靠性膛。

旅

晝

癥波峰藏焊實(shí)古驗(yàn)使觸用了佳測(cè)試喉電路能板(茂專門(mén)傲設(shè)計(jì)臉較復(fù)遣雜，銳以區(qū)員分不共同加偷工條婦件下豎的差養(yǎng)異)紅、三識(shí)種助泄焊劑逐(包海括水準(zhǔn)基和棗醇基辜配方卡)和乘兩種慕電路怖板表崖面處彈理(杏銅0確SP跑和浸謀銀處吼理)擴(kuò)。

涌

葵

貝試驗(yàn)展電路紀(jì)板是顯從工熱藝良促率實(shí)狠驗(yàn)中寧選擇懼的，去它們育由帶啦有C盤(pán)u路0S枕P焊玻盤(pán)表蓋面處者理的子FR歷4電檔路板崇組成工。被井檢測(cè)她的組南件全忍部是騎外表杜貼裝覽片式妥電阻督，選蘇擇它籮們而旨非S漁OI車C組飼件的蝶原因典是：智設(shè)想害片式擁電阻榨焊點(diǎn)紹的抗截拉強(qiáng)壞度大舉于S屋OI牙C組塊件上疫的鷗蹲翼形像引線距。每遠(yuǎn)塊電房路板束上共碎有l(wèi)派20攤0只者一流替的鏈?zhǔn)硬亟M件溫，每倒串5竭0只誠(chéng)，共微形成皆24僻個(gè)電窩路。

及

榨

宋表5需實(shí)驗(yàn)話結(jié)果秀按缺扔陷發(fā)贏生率自最低由到最耀高的穿次序針排列睜，"緩缺陷獻(xiàn)總數(shù)唇"指漿5塊修板的易缺陷跑總數(shù)和；"領(lǐng)相對(duì)槽％"縣一列析表示萌與最辯佳性媽能組瞇合之皺差的太百分趁比。摟試驗(yàn)爽板在族設(shè)計(jì)振上考蛙慮到鳳了區(qū)麻分不把同的莖配置芹而且倉(cāng)在這籠個(gè)方規(guī)面很者奏效美。根黨據(jù)結(jié)灰果數(shù)托據(jù)可聞得出復(fù)如下館論點(diǎn)秘：

唯

浮

蓄1.售研發(fā)削合金糟AL災(zāi)PH抵A狗Va協(xié)cu銅lo蓬y撿SA嚴(yán)CK揮03嚷07鏟性能乓優(yōu)于翻改性仗Sn怕99葉.3金／C稀u0僻.7銹(S堵n／刪Cu養(yǎng)／N句i)斑和標(biāo)蓋準(zhǔn)S愛(ài)n9輪9.魄3／汗Cu盞0.貿(mào)7合違金。

領(lǐng)

環(huán)

婆2.雞就缺駕陷總首數(shù)而序論，權(quán)AL約PH睡A宵SA孝Cx沃03更07忠、E躺F4疼l0竄2助姐焊劑杏和I堵mA籠g電鉗路板本涂覆聾劑組驕合排連名第此二，瞇缺陷紹總數(shù)抽僅比悔最正確裹組合挑SA蒼C3某05迫、E償F4抖10來(lái)2助陽(yáng)焊劑鑰和I廟mA錯(cuò)g電較路板噴涂覆垃劑多凝7％提。表火現(xiàn)最巖好的劍Sn劫／C拾u合涂金是瞞改性綢Sn掃99不.3澇／C越u0虹.7值(S晌n／寄Cu利／N之i)秤，但走是它朽與E也F4干10妻2助涂焊劑絹和I林mA誼g表委面處迅理組領(lǐng)合實(shí)壞驗(yàn)時(shí)口，缺倘陷總拆數(shù)比岡最正確厲組合蔽高出趣61心％。

擋

熱

京3.您改捕性S痰n9歇9.釋3／正Cu吧O.雄7(施Sn渾／C霞u／股Ni貨)優(yōu)劑于標(biāo)耽準(zhǔn)畢mn魚(yú)99崖.3劑／C畫(huà)u0瘡.7深。

墳

家

腎簡(jiǎn)言挎之，祥在工下藝良從率評(píng)渾價(jià)中嶼，研她發(fā)合將金

飽A凈LP穩(wěn)HA暑／V扔ac從ul扒oy崖S梨AC顯X0織30祥7幾薄乎可維與S雀AC北30靠5合哈金媲巡美。

旅結(jié)語(yǔ)

斥

廈

式無(wú)鉛重波峰掘焊已翠經(jīng)發(fā)雷展為存兩個(gè)箱主要待的合爆金體額系：涂Sn呼／k軌g／務(wù)Cu流(錫饑／銀愚／銅榨)

片體駐系(努通常感含銀笨量達(dá)斬3至初4％紗)和喝基于膛Sn既／C濁u(式錫銅擺)共跳晶體灑系。保如果獲按照韻用戶蜜的價(jià)篇值方必程式當(dāng)來(lái)衡豐量，喪二者吃都存已在固谷有的丙缺陷盾。

幣

脈含銀己3至拉4％促的S潮n／坦Ag借／C軋u體桂系可稠提供曾良好呈的可討靠生美和工枝藝良母率，談但原頌材料扶的成喚本昂救貴。氧作為微替代時(shí)品的惱Sn卷／C航u共哈晶體雅系及裹其改次性合畢金(僅Sn丙／C龍u／碗Ni兩)

美的待原材剪料成立本楚床低，很但其尊工藝紀(jì)良率兼和焊神接可料靠性番存在漫問(wèn)題播。為揮了克壞服現(xiàn)誤有焊邊料體桐系的鋸缺點(diǎn)給，確元信電哄子開(kāi)予發(fā)出悠新型旺焊料生合金移SA見(jiàn)CX愈03涉07肌。

乒SA計(jì)CX借03東07錄波峰回焊料稀合金訪的性援能與賠SA絕C3照05控相似媽，但吐遠(yuǎn)遠(yuǎn)習(xí)優(yōu)于新Sn冰99膏.3盒／C曠u扎0.究7合師金系莫，且偽原材別料成仙本低票于S哭AC億30扶5。

肅主要莖量度元標(biāo)準(zhǔn)由：

熟

雨

脅1.雖潤(rùn)濕愧速度善高于疊Sn塌99向.3六／C把u0燕.7拾合金棕系，攏使之從在上包述試布驗(yàn)和很后來(lái)產(chǎn)進(jìn)行邪的現(xiàn)檔場(chǎng)試衫驗(yàn)中稍表現(xiàn)臟出很遞好的天焊接捧效果涌。

脫

魄

截2.危銅溶栗解速鑄率低擾于S殼n9瓦9.踐3／懼Cu紀(jì)0.細(xì)7合悉金系籍和S器AC鍵30粗5。

停

閑

袍3.漫工藝非良率圍與S異AC屑30揪5不姻相上敵下，怨勝過(guò)準(zhǔn)Sn恭99加.3弟／C腰u0烏.7如合金塌系。

米

食

鴨4.銅浮渣毛率與屈其它懼無(wú)鉛依合金稀相當(dāng)旺。

融

居

劣5.汽焊點(diǎn)蚊機(jī)械賞強(qiáng)度熊高于傾Sn辨99遼.3支／C攪u0紙.7等合金端系和丙S抖AC信30真5。

助

旦

薯6.郊可靠支性等不同于擁Sn卡99氧.3賀／C取uO明.7抖合金掙系和號(hào)SA垂C3誤05橋(試鵲驗(yàn)仍目在進(jìn)梢行之總中)額。

天

慮

罪試驗(yàn)壞結(jié)果普說(shuō)明預(yù)，S拆AC較X0窯30訓(xùn)7無(wú)黨鉛合每金將珍提供臥較低慰的總脫生產(chǎn)嚇本錢(qián)捷，因鑰此能嘗夠滿速足無(wú)工鉛焊累接工殿藝的藏市場(chǎng)此需要缸。

兵

袍

贈(zèng)對(duì)于鈴許多產(chǎn)電子信裝配獎(jiǎng)廠商紡來(lái)說(shuō)牧，向密無(wú)鉛危焊接與工藝耗轉(zhuǎn)移叮正在吐迅速英成為撲事實(shí)朽，大細(xì)多數(shù)扭廠商