低温焊锡研究1

1、low-temperature solders产品的表面封装处理低温焊接，在非严酷的温度条件下，从 技术上来说是可行的。作为通用解决方案，单一合金不太适 合。by zequn mei, helen a. holder, and hubert a. vander plas低温焊接已是hp电子组装发展中心的研究课题。此课题包括热冲击下降，分级焊，和消除铅的可能性。热冲击下降：如果最大暴露温度降低，温度效应带来的损害也随之减少。在回流焊中，降低温度可以减少对元件的损害。目前，回 流焊的最高温度为210 c到230七。这个温度足够产生“爆米花”现象，也就是空气和水气在ic塑料壳里，当受热时，它们会膨

2、胀，造成元件外壳的破裂的现象。fig. i.of ternarr 与；stfms of allxmbinstions nfbnsrt, (c)由 tisqarid 陆 bilnpb.a5lcelc“爆米花”现象的危害是直接和可监测的，但是其他的热感应损害会导致长期的问题，诸如印刷电路板的变形和ic的损害。这些损害在较低的峰值温度下也会产生。分级焊：低熔点使得在单一电路板上进行多级回流处理成为现实。例如，常规的可以耐高温的元件可以按正常回流焊程序焊在电路板上，然后用 另一种回流焊程序把低温元件补焊在电路板上。正因为分级焊接可以批量处理，所以比起手工焊接，可以花很少时间，而且焊接也更一致。也不用

3、也不需要不同的设备和特殊处理。消除铅的可能性。现在很多低温焊锡可以无铅。低熔点合金的选择低于183 c高于506的熔点我们称之为焊锡的低温熔点。大多数符合这一要求的合金都是由以下四种成份组成：sn (tin), pb (lead),bi (bismuth)和in (indium )。镉有毒，不在考虑范围之类。由上述四种成份组成的合金的熔点范围在50七至183七。市面上可 见的低温熔点焊锡列于table 1.数字表示该元素在合金中的重量百分比。为了更好地理解合金成份和他们熔点温度关系，我们可以用熔点温度的三角图来加以说明。这种图用三角形表示三种元素的化学成分。物理特性，如熔点温度，标示在三角形上

4、，fig. 1.表示合金的组成成份的各种排列(bipbsn, biinsn, inpbsn, and biinpb )与熔点在三元系统图中的关系这些图所示的是液相温度。一种典型的合金熔点不是在一个点上，而是在一个范围内。当合金是固体时，固相温度是最高的温度。而合金是液体时，液相温度是最低温度。而温度处于固相和液相之间时，合金是固体和液体的混合体。在图表(table 1)中没有显示固相温度，然而在图表中标有“ e “或者“e”，它表示低共熔点合金，也就是液相和固相温度相同。低共熔点合金或液相和固相温度稍有点差别的合金应用方 法差不多，因为它们在一个温度范围内德化和固化都非常快。并不是所有的在三角

5、系统中表明的成分的低温熔点合金都适合焊接。为了表明哪种最适合，请看表(table 1).可浸润性扩散 wettability).一种金属如果能在表面形成一种良好的合金属，它就具有表面可浸润性。在焊接中浸润性是很重要的， 因为它保证了焊接点不会从焊接界面脱开。任何新的低温合金都必须能够在普通的母材上形成扩散c彼踊以及馍镀铝或者 金)。.可靠性、。低温熔点合金应该可靠，所以我们衡量一种合金的焊接点是否可靠的性能有以下方面：切变强度( shear),蠕变强度(creep), 等温抗疲劳强度 (isothermal fatigue resistance ), 热疲劳强度(thermal fatigue

6、 resistance) 。.长期稳定性。随着时间的流逝，因为微结构变化，晶粒生长和再结晶便使得低温焊点的机械性能会发生变化，因此，我们要 确保这些变化是缓慢和稳定的，不能使焊点的机械性能达到不能接受的程度。.实用性。合金在量产时应该价廉且可以大量采购得到，也能做成焊锡膏，而且要有相应的助焊剂可以配合使用。比现在使用的合 金要低毒。为了开始我们对合金的选择和评价，我们在文献中找到了能满足要求的低温熔点合金。这些合金可以选来进一步评估：.43sn43pb14bi.固相温度：144 c液相温度：163七，比配方63sn37pb低20七，但机械性能差不多。.58bi42sn.是共熔合金，熔点温度是1

7、39七.无铅，而且牢固，但易碎。而且它的抗疲劳强度也是个问题。.40sn401n20pb.固相温度：121七液相温度：130 c.比较软且有延展性。没有易碎的问题当焊厚的金的表面时，例如锡铅，因为锢含量高。但躇介格过高。这三种配方被选出来，是因为能得到关于它们的大量资料。因为低温合金的技术资料比较有限和不确定性，我们做了一系列试验根据下列所选的标准：table i低熔点合金液相温度固相温度液相温度固相温度化学成分化学成分(c)(c)(c)(c)49bi211n18pb12sn585834pb34sn32bi1339651in32.5bi16.5sn606056.84bi41.16sn2pb13

8、312849bi18pb181n15sn695838.41bi30.77pb30.77sn0.05a1359666.3in33.7bi727257.42bi41.58sn1pb13513557bi261n17sn797936bi32pb31sn1ag1369554.02bi29.68in16.3sn818155.1bi39.9sn5pb13612151.45bi31.35pb15.2sn21n938736.5bi31.75pb31.75sn1379552bi31.7pb15.3sn1in949043pb28.5bi28.5sn1379652.5bi32pb15.5sn959558bi42sn1

9、3813852bi32pb16sn95.59538.4pb30.8bi30.8sn1399652bi30pb18sn969633.33bi33.34pb33.33sn1439650bi31pb19sn9993971n3ag14314350bi28pb22sn10010058sn42in14511846bi34sn20pb10010080in15pb5ag14914250bi25pb25sn1159599.3in0.7ga15015056bi22pb22sn1049595in5bi15012550bi30pb20sn1049542pb37sn21bi15212052.2bi37.8pb10sn1

10、059899.4in0.6ga15215245bi35pb20sn1079699.6in0.4ga15315346bi34pb20sn1089599.5in0.5ga15415454.5bi39.5pb6sn108108100in156.7156.767bi331n10910954.55pb45.45bi16012251.6bi41.4pb7sn1129870sn18pb12in16216252.98bi42.49pb4.53sn11710348sn36pb16bi16214052in48sn11811843pb43sn14bi16314453.75bi43.1pb3.15sn11910850

11、sn40pb10bi16712055bi44pb1sn12011751.5pb27sn21.5bi17013155bi44pb1in12112060sn40bi17013855.5bi44.5pb12412450pb27sn20bi173130501n50sn12511870in30pb17516558bi42pb12612447.47pb39.93sn12.6bi17614638pb37bi25sn1279362.5sn36.1pb1.4ag17917951.6bi37.4sn61n5pb1299560sn25.5bi14.5pb18096401n40sn20pb13012137.5pb37

12、.5sn25in18113452sn48in131118浸润/ 扩散（wetting ）和可焊性（solderability ）对这些合金进行两种测试来验证浸润/扩散（wetting ）:延展性和浸润平衡测试（ wetting balance ） 延展性在延展性测试中，一团焊锡膏被放在铜板或测试板上。然后把测试板加热到超过合金在氮气炉的液相温度的30度。焊锡膏熔化，当助焊剂一旦活化足够，合金金属氧化表面会发生变化，焊锡会形成小水珠，或帽状。见下图。水珠的直径和高度 可以测量，然后可以确定焊锡与板之间的接触角度（ a ）。这个接触角度或浸润角度，是度量焊锡在表面处理时的湿润的 值一这个值越小越好

13、。fig. 2. a是浸润角度，焊锡合金在铜板通过回流焊形成的x轴表示焊锡合金和回流温度。助焊剂fig. 3.浸润角度，取决于焊锡膏的在铜板上，在充氮回流焊接炉的延展性测试。 用柱形顶端字母表示。(wc =水洗，nc =免清洗焊剂，rma =松香激活).影响延展性的因素有助焊剂的活性，熔化合金的表面张力和合金与母材金属表面的合金结合力。当要诠释延展性的测试结果 时，上面三因素都要考虑。fig. 3表明润湿角测试结果。63sn37pb和43sn43pb14b润湿性比较好，且可用相近的 焊剂h 58bi42sn和40sn401n20pb合金在铜表面的润湿角小于90度，但相比前两个不太好，约两倍或3

14、倍，在相同的助焊剂下。在所有使用免清洗焊剂情况下， 40sn401n20p哈金的润湿性不好，这可能与锢和砌氧化物比锡铅氧化物比较难去除有关。而且它的表面张力比pbsn低。另外一个因素是，现在的用的助焊剂都是为63sn37pb金而开发的，要在150度时活化，因此，他们或许并不适合低温合金的焊接。 因为大部分的低温焊锡的熔点在150度以下。浸润平衡测试可用来寻找合适的低温合金焊接的助焊剂，这个测试的结果可以参考附件13。可靠性和长期稳定性在我们能够建议任一合金替代锡铅焊锡之前，我们需要更好地理解合金的机械性能和优劣势评估，我们需要批量测试来评估合金，这 些测试集中在：剪切力(shear),蠕变(c

15、reep),等温疲劳(isothermal fatigue),和热疲劳(thermal fatigue)。剪切力。焊点会产生剪切是因为热膨胀系数不匹配。为了弄清不同合金的焊点的剪切，我们用fig. 4样本来说明。这些样本有九个焊点，并夹在两个铜板间，两者间距分别为0.050, 0.080 , 0.010英寸。当这个末端在测试机器里用不同的温度和应变速率时进行拉动，可以测得焊点的应力。标绘出所测量的最大应力与相对的应变速率，我们就得到了不同合金的相应的剪切强度，并用它们和锡铅进行对比。测试在三种温度(25c, 65c, and 110c)和三种应变速率下(10-2, 10-3和10-4每秒)进行

16、。fig. 5所示是低温熔点和一些高温熔点焊 锡的切变强度。从数据图表我们可知，在 25c,相同的应变速率情况下，58bi42sn合金是第二强的，仅次于高温熔点无铅合金。43sn43pb14bi和63sn37pb有相同的强度。40sn401n20pb最软。当温度到110度时，低温焊锡变得比较软，但是高温焊锡相应地还是比较强。蠕变如果加一个恒定负载到一种材料上，这种材料且处于温度渐升的情况下，随着时间的过去，材料会变形或成流体。这种与时间相关的变形称之为蠕 变。因为蠕变是焊锡的一个主要的形变机理，所以了解一种新的合金的蠕变抗力是多少很重要。article 10august 1996 hewlet

17、t-packardjournal4cu plates5102 .rarticle 10fig. 4.切变和蠕变测试样本9 solder joints 0.050 by 0.080 by 0.00i7ich10 一0.1 (b)10 4 -t- 0.1 (c)100102 t 10.110shear stress (mpa)m m m m10$10.10 -0.1100(a)shear stress (mpa)10书63sn37pb63sn37pb/10%in43sn43pb14bi40sn401n20pb 58bi42sn 99sn1cu96.5sn3.5ag90sn7bi2ag1cu110s

18、hear stress (mpa)10010210书 63sn37pb 63sn37pb/10%in 43sn43pb14bi40sn401n20pb.58bi42sn9 99sn1cu96.5sn3.5ag9 90sn7bi2ag1cu11063sn37pb63sn37pb/10%in96.5sn3.5ag90sn7bi2ag1cu43sn43pb14bi40sn401n20pb58bi 42sn99sn1cufig. 5.低温焊锡和几种高温焊锡白剪切力测试结果（ a）室温，（b） 65 o c （c） 110 ocaugust 1996 hewlett-packardjournalfig.

19、 6 男切力作用下的稳态蠕变率（应变率）在 20 o c, 65 o c和90 o c下的变化（a） 63sn37pb低温焊锡，（b） 58bi42sn, （c） 40sn401n20pb,和（d） 43sn43pb14bi.必 ip o o 1 1必 ip o o o 1 1 1 xl)r mm pawxts10 6 0.1(a)110shear stress (mpa)10010 -|110.1110(b) shear stress (mpa)100xis/ mrm a - sa-xls/ mrm a - sarticle 10august 1996 hewlett-packardjour

20、nal9107 410 110.1110(c)shear stress (mpa) 90 c 65 - c20 : c100d y/dt=atn - a h/rt10 7 10 j1110.1110100(d)shear stress (mpa)剪切测试中所用的这种标本也应用于蠕变测试。作为剪切力特性之一的蠕变率位5oc, 65 oc, and 90 oc勺变化在图6中 已经标注。数据符合标准蠕变（多恩）方程式其中y表示剪应变或蠕变，a表示料料常量，t表示剪应力，n表示经验常量，通常介于3-7之间，h表示活化能，r表示 气体常数，t表示绝温度（k）。推论出来的多恩方程式参数见表ii。table

21、iicreep equation parameters for threesolderalloys三种焊锡合金的蠕变方程式参数合金han(kcal/mole)40sn401n20pb4.0488 x 104 2.9822.0058bi42sn5.5403 x 1074.0516.8543sn43pb14bi0.115522.9417.05低温焊锡的断裂应变也由蠕变测试决定。其他低温焊锡和63sn37pb相比较，在同样的应力下，58bi42sn表现出最慢的蠕变率和最少的断裂应变，而401n40sn20pb则表现出最快的蠕变率和最大的断裂fig. 7.等温剪切疲劳测试结果0.0140.10.1 -

22、solid: 75 copen: 25 ctriangle: 63sn37pbsquare: 58bi42sn110100100010,000疲劳寿命fatigue life (cycles)等温疲劳。当材料经受小量的重复性负载，最后会导致断裂。这个逐渐断裂的过程就称为疲劳。焊锡点上的负载是因为热膨胀系数不匹配。由于运作过程中的温度偏差导致这种负载是循环的。等热应变循环可以用来快速模拟焊接点暴露以表明不同的焊锡合金相对的疲劳寿命。它们之间有一种关系，叫 coffin-manson 定律，用于评估材料疲劳寿命的方法之一。疲劳寿命 的定义：在特定的导致材料衰退的蠕变下的循环次数。低温焊锡的coff

23、in-manson关系是在25 c和75 c勺温度下测定的。58bi42sn和63sn37pb的数据如图7所示。在同等循环 蠕变中，58bi42sn的等热疲劳寿命比63sn37p网。热疲劳。虽然等热疲劳可以用来评估疲劳寿命，但我们也做实际的热循环来验证在温度循环的情况下焊接点是如何变化的。在我们的热疲劳测试中，设计了一种新的测试工具（见图 8）。五个瓷盘，每个都是1/16英寸厚，面积分别是4, 2, 1, 1/2 和 1/4平方英寸，把它们焊接在一块 1/8英寸厚的fr-4底板上。每个焊锡点为0.010英寸厚，直径为0.050英寸，围成一个圆环，这 些焊接点夹在每个瓷盘与 fr-4板之间。在温

24、控箱里温度循环的环境下分别测试焊锡点的电导通性。我们用了两组温度范围，一组是25 c到75 c,另外一组是一20 c到110 c.20 c到110 c勺结果如图9所示。由于测试正在进行中，图中仅标注失效的焊锡点的疲劳数据。63sn37pb比58bi42sn持久，它的循环次数与43sn43pb14bi相差无几，40sn401n20pb焊锡点疲劳寿命最长。实用性为了验证这些合金的实际应用，我们做了一个模型。40sn401n20pb 很贵，不适合批量生产，所以我们不把它列入模型实验中。58bi42sn较43sn43pb14bi难焊接（43sn43pb14bi的熔点低，氧化物难清除），所以我们决定测试

25、这两种合金 的最坏情况，并且用58bi42sn来焊接。58bi42sn合金用水溶性rma助焊剂熔化化成锡糊，之所以用这种焊剂是因为它不像一般的免清洗焊剂，它在低炉温下与bisn 一起，会很活跃。我们为做这个模型所选用的装置由很多元件构成，包括0.025英寸螺纹元件。fig. 8.热疲劳测试的工具article 10august 1996 hewlett-packard journaljoints on:fig. 9. 20 p 110七热疲劳测试。数据只显示在写作本文时已失效的底板用两种镀层方法：有机涂层铜板法（ occ）和热风覆锡可除（hasl）。这些涂层使铜焊盘在回流焊接之前 不至于被氧化

26、。在occ中，铜焊盘被一层薄薄的聚合物覆盖防止内部铜材被氧化，来保持覆铜表面的可焊性。但在进行回流焊锡工艺，这种聚合物会被燃尽，以使铜材表面和焊剂金属粘合。hasl或者hal （热空气均匀法）也可以实现这种保护，但用的是薄薄的一层pbsn焊剂，这种焊剂已经用气刀吹成非常容易去除的地步。整个组装过程和63sn37pb 一样，只是采用了不同的回焊曲线。低温曲线在130 c时有一个4分钟的预热期，在138 c和175 c之间有一个1.5分钟的高峰期（高于合金熔点的0度到39度）一共用了二十个完好无缺的底板。所有的底板都通过了特性测试和反相式随机频率振动（6g, 45分钟），还有底板环境压力测试（be

27、st-负45 c到100c热循环，1小时/每循环，全程功能监控）pm染的表面j58bi42s的失效在模型板的热循环中，我们观察到pb污染的表面上bisn焊剂的热疲劳失效机制。经受了 500次best热循环之后，模型底板上的一些元件会失效。用63sn37pb焊接的底板经受900次热循环之后也失效了。图10为58bi42sn焊接点在best之前和之后的变化俯视图。在 best之前，焊接点表面很光滑。在 best之 后，介于occ板和有ni-pd涂层的元件之间的焊接点仍然光滑，但 hal板之间或有pbsn涂层的部件之间的焊 接点就变得很粗糙了。这种粗糙度与焊接点的横截面异常晶粒生长是相对应的，如图1

28、1所示。这种加速的晶粒生长和相结块的原因是，在回流焊接中，原件引线中和焊盘上的hal涂层中的pb已经溶于bisn焊接点，形成52bi32pb16sn , bipbsn系统中的三元共晶体相（如图 1a中点e所示），熔点为95 co测试中每个热循环温度都达到100c ,颗粒边界的相就会变成液体，为微粒运输提供了通道。虽然底板或原件引线上的 pb只有极少一部分会熔于 bisn焊接点，但是一小部分的三元共晶体在到达100c的热循环过程中就会毁坏机械性能。焊接点原本具有细致的（形成的）微观结构，变成由微量的bipbsn聚合在一起的大块的 sn和bi组成，这表明bisn只与无pb的表面兼容。讨论从我们收集

29、的所欲数据看来，很难断定哪种低温合金总体来说是最好的焊锡材料。各有长短。它们提供了一个熔点范围：43sn43pb14bi 熔点为 144c 到 163c , 58bi42sn 熔点为 138c , 40sn401n20pb熔点为 121c to130c 。每种都有我们想要的长处，比如401n40sn20pb焊锡在au涂层表面上，不会发生脆变，但是也有弊端，比如bisn对印刷电路板和元件引线上 pb的不耐性，还有锢的超高成本。article 11august 1996 hewlett-packardjournal10我们得到的大部分测试数据都是积极的，虽然有两个意外的问题。这些结果似乎表明，作为一种生产技术来说，用我们试验中的一种或多种（或几种密切相关的合金）进行低温焊锡是可行的。意外的问题在于：（ 1 ）免洗的焊剂造成40in40sn20pb 不浸润（扩散）性（2 ） 58bi42sn在pb涂层上焊接点的微结构粗粒化和热循环中过早的失效。第一个问题在一个助焊剂研发项目中得到讨论和阐述，这个项目是与焊