(上)冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响

1、冷却速率对无铅再流焊焊点质量的影响史建卫，江留学，梁永君，杨建民，柴勇（日东电子科技（深圳）有限公司）摘要：无铅再流焊中冷却速率影响焊点力学性能及可靠性。快速冷却可以细化组织，间接控制金属间化合物厚度和形态，影响焊点断裂模式，提高焊点综合性能。但由于元件与PCB等材料的热不匹配性而造成的较大应力，易造成元件或焊点失效等。本文通过对文献中研究结果的总结，设计了炉冷、空冷和水冷等几种再流焊冷却方式，并对焊点进行了强度测试和组织成分分析， 建议工业用最佳冷却斜率控制在 36C/s。关键词：冷却速率；无铅再流焊；金属间化合物；焊点质量；应变速率Effect of Cooling Rate on Sol

2、der Joint QualityIn Lead-free Reflow Soldering1Shi Jianwei , Jiang Liuxue, Liang Yongjun, Yang Jianming, Chai Yong(Sun East Electronic Technology Company Lt.d )Abstract: Cooling rate affects mechanic property and reliability of solder joint markedly in lead-free reflow soldering. Rapid cooling rate

3、can fine structure, control indirectly thickness and modality of intermetallic compound, affect failure style and reinforce performance of solder joint, but stress induced by mismatching between components and PCB materials brings about invalidation of produce. The paper summarizes the work of docum

4、ents and projects a experiment of oven cooling, air cooling and water cooling for reflow soldering, tests solder joints strength and analyzes metallograph of interface compound as well. The optimums cooling rate is 3 to 6 Celsius per seconds in electronic industry.Key words: Cooling Rate; Lead-free

5、Reflow Soldering; Intermetallic Compound (IMC); Solder JointQuality; Strain Rate1引言无铅化电子组装给传统组装工艺带来了一次变革，包括材料、设备及工艺各个方面，设计、生产及检测等 各个阶段，均岀现了新的要求与规范。就焊接工艺而言，无铅再流焊后的冷却速率问题引起了业界的广泛 关注。众多研究表明，快的冷却速率有利于焊点力学性能和可靠性的改善与提高。但在实际生产中，一方 面考虑焊接设备结构设计所能达到的冷却能力，另一方面考虑快速冷却产生的负面影响，比如元件爆裂和分层失效等。最佳冷却速率的研究迫在眉睫，值得注意的是，本文所

6、述冷却速率是指焊点冷却到钎料熔点 以下30C或更多这一区间的平均斜率，无铅焊接中常以180 C为基准，也有以150 C为基准的，一般认为温度低于此值后焊点组织结构不再发生明显变化。2冷却速率对焊点质量的影响2.1冷却速率对焊点强度的影响Denis Barbini等人对不同冷速下焊点组织结构进行研究发现：由快速冷却(2.5 C /s )过渡到慢速冷却(0.5 C/s)，焊点组织由均质向离散变化，金属间化合物由薄变厚、由平滑变粗糙。对冷速为2.5 C /s下有铅样品和无铅样品进行热循环后强度测试，发现剪切强度中位数分别降低23 %和17 %，无铅钎料抗蠕变性能优于有铅钎料。对于无铅焊点，快速冷却形

7、成的细小富锡枝状晶和锡基体中弥散的细小Ag3Sn等颗粒使焊点抗断裂强度提高，从而改善抗蠕变性能；慢速冷却形成粗大的晶粒，在焊点基体内和界面层 出现Ag3Sn、Cu6Sn5或Ni3Sn4等块状金属间化合物(如图 1)，容易产生裂纹并快速扩展，导致可靠性 下降。图一 1 SnAjg/Cu焊点内出现的各科金属间化合物S.K.Kang等人试验发现：快速冷却(3 C /s)增加极限拉伸强度和 0.2%应力，提高焊点剪切强度 20%之多，有的甚至高达 50%左右；增强Sn0.7Cu、Sn3.5Ag、Sn3.5Ag0.7Cu 及Sn4.0Ag0.5Cu 无铅钎料可靠性。观察Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.

8、5Cu微观结构和应力值变化，发现Sn3.5Ag钎料中晶界滑移机制在变形过程中并不明显，抗蠕变性能的提高主要是弥散分布的Ag 3Sn颗粒起到了强化作用。值得注意的是，慢速冷却降低了 SnO.7Cu、Sn3.5Ag无铅钎料和纯锡的剪切强度，但会轻微增加Sn37Pb钎料的剪切强度,这一现象要联系合金的变形机理来分析。小应变下晶界产生划移，大应变下位错产生划移。当位错产生划 移占主导时，细颗粒结构会导致较高的材料强度；当晶界产生划移占主导时，大颗粒结构会导致较高的材 料强度。2.2冷却速率与应变速率之间的关系Maveety.J.G等人试验研究发现：快速冷却（50 C /s）下焊点组织对应变速率非常敏感

9、，慢速冷却（2 C31/s）下焊点组织延展性好，对应变速率不敏感。快速应变速率（10 /s10 /s ）易产生焊点硬化，提高焊点剪切强度。表1为10-1/s应变速率下快速冷却和慢速冷却焊点剪切强度的提高程度。值得注意的是10-3/s应变速率下，Sn3.5Ag的强度和延展性均好于 Sn0.7Cu和Sn37Pb，而纯锡无论是快速冷却还是慢速冷 却强度都最低。K.S. Kim等人对8.3 C /s、0.43 C /s和0.012 C /s三种冷却速率下的 SAC合金进行剪切强度测试。图2为Sn3.5Ag0.7Cu在不同冷速下工程应力-应变曲线，应变速率在 10-1/s10-2/s之间时，快冷比慢冷强

10、度 增加了近50%。图3为不同钎料成分极限拉伸强度和0.2%应力随应变速率变化关系图，可以看出Sn3.5Ag0.7Cu钎料抗拉强度和0.2%应力最高，这主要是因为&Sn+Ag3Sn共晶组织的面积份数小和Ag3Sn化合物程小颗粒均匀分布的缘故，如图4所示。此外，随着冷却速率的降低和银含量的增加，共晶组织变的粗糙，弥散纤维状AgaSn化合物减少，块状 AgaSn成为主要化合物相，在低应力或温度循环条件下易碎特性容易产生缺陷。试验还发现热循环后SAC305组织没有明显的粗化，热稳定性好。因此可以通过减少Ag含量来减少块状AgaSn化合物，因为低Ag含量合金对冷却速率依赖性较小。OdxJ 4ai(y*

11、 i w4 * io*Strtrn rtt*(f *)Strata rwWf*1)表1不同冷却速率下焊点前切強度的提高程匱,条件心应变速率：io7sSnO. 7CU+3Sn37PbSn3. SAg*3快冷松2930畑52却19%*24%52%*1甘亠心虚血a aScOOoqO o 02不同冷却速率下呵久5如力代u工程应力亠应变曲线*图3不同钎料成分极限拉忡强度和IL2K应力随应变速車变祀关累心2. 3冷却速率对焊点热循环寿命的影晌-焊点热循环寿命受蠕变、疲劳、高温氧化及钎料的冶金性能等多种因素影响。热循环失效是指焊点在温度循环或功率循环过程中，由于芯片载体材料和基板材料存在明显的热膨胀系数（C

12、TE ）差异所导致的蠕变疲劳失效。通常SMT中芯片载体材料为 AI2O3陶瓷，CTE为6.0 ppm/ C，基板材料为环氧树脂/玻璃纤 维FR4复合板，CTE为20.0 ppm/ Co当环境温度发生变化或元件本身工作发热冷却时，由于二者间CTE差异，在焊点内部就产生周期性变化的应力应变过程，在疲劳和蠕变的共同作用下导致焊点的失效。中速冷却U 4兀虫快速冷却83*C/sb)d)eSn3. OAgO,. 5CuSnS. 5AgO. 7CuSn3.9AgO. GCu+J苹同钎斜成分在不同冷却速率下的焊点纽织心冷却速率对焊点热循环疲劳寿命和高温蠕变断裂寿命的影响趋势不尽相同。疲劳辉纹是疲劳断裂的主要特

13、征，沿晶断口是蠕变断裂的主要特征，高温下有时也岀现穿晶。金属抗疲劳性随着晶粒的细化而增加，快 速冷却有利于提高应变抗力，改善焊点抗疲劳性能。金属抗蠕变性与晶粒的大小有关，冷却速率越大，晶 界数目越多，沿晶裂纹的数目就增加，焊点的抗蠕变能力就降低。Young-Sun Kim 等人对不同冷速下钎料断口进行SEM观察，结果发现炉冷断面断口较平坦，空洞较少，沿晶裂纹细小，滑移线细密；而水冷 断面空洞、韧窝较多，有明显的剪切滑移痕迹，如图5所示。空洞的变化可能是由于炉冷冷却速率低，气体容易逸出，而水冷冷却速率快，焊剂和水分等产生的气体来不及逃逸而保存下来形成气孔或空洞，同时 也产生了许多微小空位。朱颖等

14、人试验发现水冷焊点在热循环过程中，空位会不断聚集形成较多空洞、韧 窝、不平整的断面，降低了焊点的热循环寿命，但不呈现线形关系。实际焊接过程中，要求优化工艺流程, 调整温度曲线，降低焊剂残留量，使快速冷却的优势得以发挥。(a)水净 U TC/s(b)炉冷丄 D1805不同冷却速率下焊点排伸斷口型貌2.4冷却速率对焊点组织和IMC形态及厚度的影响X.DENG等人通过试验研究发现：水冷(106 C /s)和风冷(5.4 C /s )条件下无铅钎料/Cu界面IMC层 的厚度相对炉冷(0.5 C/s)条件下薄，呈层状，生长面较平坦，而炉冷条件下IMC呈扇贝状，生长面厚度不均，如图6所示。IMC厚度变化之

15、所以受冷却速率变化的影响，是因为冷速减小时相当于再流焊时间延长，界面反应和原子扩散增强，IMC厚度增加。试验还发现冷速越小，IMC形状起伏越大，对于无铅钎 料/Cu界面，再流焊时间超过 40s就会产生扇贝状 Cu6Sn5，对SMT焊点起到劣化作用。水冷ip6X?/s风冷二gc/s泌股9/列图&不同冷却速率下却心兀口界面t叽形东2.5冷却速率对成分偏析的影响慢速冷却易产生粗糙表面、焊点内部空洞和偏析等缺陷，其主要岀现在含有Zn和Bi元素的钎料中。女口图7所示，SnZnBi钎料在0.018 C /s冷速下，内部组织产生大的空洞和Bi的严重偏析。快速冷却可以减小和防止这种缺陷，但是如果含量过高，快速

16、冷却的作用就被弱化。图8为含不同成分Bi元素的钎料在8.3 C/s冷却速率下的焊点组织，可以看出当Bi含量为3wt%时快速冷却可以防止 Bi偏析，但Bi含量为6wt%时，同样会岀现偏析现象。赵智力等人对无铅波峰焊焊点剥离现象进行研究，试验发现，较多Bi含量的无铅钎料在快速冷却下也会产生剥离现象，如图9所示，快速冷却对剥离现象影响不是很明显。07慢速冷却下焊点肉部出现的空澗与偏析a3不同再流焊冷却速率研究实际工业生产中，焊接设备的冷却能力达不到上述快速冷却要求。对于无铅再流焊工艺，冷却速率在小范围内变化是否会影响焊点质量，周惠玲和徐波等研究人员选用不同种类焊膏，取峰值温度240245 C，对QF

17、P和片式阻容元件进行了焊后质量分析。tbi大Bi pjirlickSAC305SnSVPb平均J 载荷“焊音种类心冷速口6.5, .XJ /訐冷速心4.15 /C/s*3冷速心2r l.r z冷速2*1価Q屏948* 凸837*8909- 3*-969,4845.4866. 2899,丹820. 0P822.8 亠841.5心 匸806.2 匸138不冏成分科料在快速冷速下的焊点俎织Sn9ZnSn8Zn3BiSnSZnSBi-0 9 Sn25Bi/Cu界面出规的剥需观象(SEM) -首先对不同冷速下 QFP引脚焊点进行45。拉脱试验，之所以选择45。是原因这个角度可以有力的结合加载三种焊膏，制

18、定四种冷却速率，拉脱试验结果见表2。周惠玲等人选用水冷机制冷、循环水冷却和随炉冷却三种方式对SAC305焊点进行作业，同时为了反映冷速对焊点强度的影响程度，进行了冷速为2.5 C/s时不同氧含量对Sn3.5Ag和SAC305焊点强度的影响，表 3为不同条件下焊点的拉脱载荷值。从试验结果可以看岀：快速冷却和低氧含量有助于提高焊点拉脱强度；当冷速大于2.8 C /s后焊点拉脱强度提高程焊点拉脱强度都低于 SAC305焊点，可能原因是 SAC305中更细小的Cu6Sn5和Ag 3Sn颗粒强化作用更表2不同冷速下QFP焊点拉脱載荷值卩测定速率: ,5iut/inin 单位匕感*j在焊点上的剪切和拉伸两

19、种力而得到较为精确的测定值。徐波等人选用Sn3.5Ag、SAC305 和 Sn37Pb度不大，而低氧含量条件下促进润湿而改善焊点几何形状，对强度影响较大；各种实验条件下,Sn3.5Ag表3不同条件下QFP煜点拉脱载荷值测定遠率=b iwi/jiin 单位土战+冷却方式心做机制泠4,恥循环水冷却2匸/贰炉冷却13匸冷门平均载荷值*991.9971.2S42.7*5*氧气浓度Q1000050001000?00500円SAC3O5P*平均958P1OS3+31092P1119P1057P *Sn3, 5A859*891+-11023110210701028 -此外，研究人员还对2012型电阻进行了不

20、同冷却速率下的推荐强度试验，结果见表4。从试验数据可得：无铅钎料焊点强度低于有铅钎料，可能的原因是由于润湿性差导致焊点几何形状不佳；Sn3.5Ag钎料在大的冷却速率下强度反而下降，可能的原因是过快的冷却导致焊点内气孔过多而强度弱化；不通无铅钎料在冷却速率大于2.1 C /s情况下，剪切强度都较高。表4不同冷速下R2012焊点拉脫载荷價、测定速率：匕5.顾/$ 单位：惑？焊嘗种类心冷遠*J6. 5T?/s冷遠4冷遠*J ,3,-10,/s*7冷遠2.1. lSC/s*3Sn354（牢平均J裁荷心51435866心曲42*4248SAC3O56021551752775583Sn37Pb7637*卫

21、r快速冷却下焊点强度提高，可以用霍尔-佩奇公式来解释。焊点强度与晶粒直径之间满足以下关系:Iq =+ 如 2式中表示晶粒内部对变形的阻力，d表示晶粒直径，k为常数。该公式表明：随着晶粒的细化，合金强度增大。其次，根据Hall-Petch公式，合金强度的提高与晶粒大小之间的关系为：式中 为合金强度的增加值；k为材料常数；D为晶粒直径。该公式表明：随着晶粒的细化，合金强度的增加愈大；细晶粒结晶的韧性与抗热疲劳性能远比粗晶粒好。冷却速率同时也影响结晶时二次枝晶的间距和大小。枝晶间距主要受凝固时间的影响，满足以下关系:SDA 二熔式中SDA助二次枝晶的间距，ts为凝固时间，k为与材料有关的常量。根据凝固原理, 增加冷却速率，相当