開發(fā)高性能無鉛波峰焊料合金的難點(diǎn)

1、開發(fā)高性能無鉛波峰焊料合金的重點(diǎn)在開發(fā)高性能無鉛波峰焊料合金時(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，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 成本提高三倍以上，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 為工藝性能與企業(yè)的周功和生存息息相關(guān)。這個(gè)選擇造成的 兩難境況已成為開發(fā)新合金系

2、列的推動(dòng)力，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。選擇合金無鉛波峰焊接工藝現(xiàn)在處于早期開發(fā)階段，據(jù)估計(jì)，目前使用無鉛合金的波峰焊槽不足5%.在開發(fā)高性能無鉛焊料合金時(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，但是 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，但基本銅錫合金 及其改性變種的工藝良率一貫比不上 SAC 合金。

3、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 單位材料成本，以及相當(dāng)?shù)墓に嚵悸?、設(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)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)通常用來測(cè)量組件?？珊感圆?且作為開發(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

4、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，這是無鉛工藝的一個(gè)很重要的問題，特別是在使用 Cu OSP 焊盤表面處理的情況下更為突出。過去Sn Pb 焊接過程中，銅溶解濃度達(dá)到 0.3 左右，焊槽便達(dá)到了平衡點(diǎn)。在 無鉛焊接過程中，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

5、良率所有專業(yè)生產(chǎn)人員都知道，材料成本與材料對(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)。在向無鉛波峰焊過渡的過程 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)最大限度地減小成本的影 響（輸入）。如上所述，合金的某些主要特性對(duì)波峰焊接效

6、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， 不過用人工或自 動(dòng)檢驗(yàn)方法都能容易地檢測(cè)出來。在目前大部分無鉛制造工 藝中都發(fā)現(xiàn)了錫橋缺陷增加，而且主要是由于合金表面張力 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，因此這樣做有可 能損壞焊點(diǎn)

7、。提高錫槽溫度顯然會(huì)增加合金的流動(dòng)性， 從而改進(jìn)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 受損與二次回流的機(jī)會(huì)，并提高銅溶解率和浮渣形成速率。 合金浮渣對(duì)波峰焊接過程的經(jīng)濟(jì)性造成很大的影響，雖說重 要性比不上工藝良率，但是增加合金成本使浮渣問題變得比 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)制和浮渣還原劑。就合金純度而言，鋁、鋅和鎘含量高到 50ppm 會(huì)造成過 多的浮渣。未經(jīng)攙雜的純凈原材料多半含有過量的懸浮氧化 物，在

8、合金熔融過程中通過多級(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^ 程中浮渣把有用的金屬都除去了?，F(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， 可以使浮渣奇跡般地變成千粉，這樣，除渣時(shí)便能夠避免把 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。使用可靠性PCB無鉛組裝過渡引發(fā)了無鉛合金焊點(diǎn)在使用中是否可 靠的問題。對(duì)渴望在質(zhì)量和可靠性上保持

9、良好的聲譽(yù)的OEM來說，這種擔(dān)心是合理的。在這個(gè)項(xiàng)目下，試驗(yàn)分兩個(gè)階段 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)。根據(jù)PCB的最終用途，采用不同的熱循環(huán)曲線，其溫度從某些消費(fèi)電子產(chǎn)品可接受的0至80C,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165C, 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、r : J 4 J" 間-40至125C,變化斜率2 0C/ min，且在上下限溫度各 保溫10分鐘.il. 11WMI表4浮渣試驗(yàn)結(jié)果.上 AtI叫rrrL *: -<I - .

10、1 " 1ffl11*15ri n1U 切1u| |1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Cu0SP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組件的原因是：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 、Sn99.3 Cu 0.7、 改性 Sn99.3Cu0.7（SnCuNi） 以及 Sacx0307 進(jìn)行的研 究，評(píng)估無鉛焊接工藝的四個(gè)主要特性：工藝良

11、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 OSP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 組件的原因是：設(shè) 想片式電阻焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度大于 SOIC 組件上的鷗翼形引 線。每塊電路板上共有 l200 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

12、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 置而且在這個(gè)方面很奏效。根據(jù)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Sn99.3/CuO.7（Sn/Cu/ Ni）和標(biāo)準(zhǔn) Sn99.3/Cu0.7 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 電路板涂覆劑多 7。表現(xiàn) 最好的 Sn/Cu 合金是改性 S

13、n99.3/Cu0.7（Sn/Cu/ Ni），但 是它與 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 Sn99.3/ CuO.7（Sn/ Cu/Ni）優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) mn99.3/ Cu0.7。簡(jiǎn)言之， 在工藝良率評(píng)價(jià)中， 研發(fā)合金 ALPHA / VaculoySACX0307 幾乎可與 SAC305 合金媲美。 結(jié)語無鉛波峰焊已經(jīng)發(fā)展為兩個(gè)主要的合金體系：Sn kgCu（錫/銀/銅）體系（通常含銀量達(dá) 3至4%）和基于Sn/ Cu（錫銅）共晶體系。如果按照用戶的價(jià)值方程式來衡量，二 者都存在固有的缺陷。含銀3至4%的Sn/Ag /Cu體系可提供

14、良好的可靠生和工 藝良率，但原材料的成本昂貴。作為替代品的 Sn/Cu 共晶 體系及其改性合金 （Sn/Cu/Ni） 的原材料成本楚低，但其 工藝良率和焊接可靠性存在問題。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 Sn99.3/Cu 0.7 合金系，且原材料成本低于SAC305。主要量度標(biāo)準(zhǔn)：1. 潤(rùn)濕速度高于 Sn99.3/Cu0.7 合金系，使之在上述試驗(yàn) 和后來進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出很好的焊接效果。2. 銅溶解速率低于 Sn99.3/Cu0.7 合金系和 SAC305。3. 工藝良率與 SAC305 不相上下，勝過 Sn99.3/Cu0.7 合 金系。4. 浮渣率與其它無鉛合金相當(dāng)。5. 焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度高于 Sn99.3/Cu0.7 合金系和 SAC305。6. 可靠性等同于Sn99.3/Cu0.7合金系和SAC305（試驗(yàn)仍 在進(jìn)行之中 ）。試驗(yàn)結(jié)果說明， SACX0307 無鉛合金將提供較低的總生產(chǎn) 成本，因此能夠滿足無鉛焊接工藝的市場(chǎng)需要。對(duì)于