无铅焊及焊接点的可靠性实验

1、无铅焊及焊接点的可靠性实验(1、株式会社 力世科，东京都口野市日野本町1-15-17街1910011 ； 2、上海市虹桥路2328弄2号楼504室，200336)摘要：随着电子装置的小型化的发展，欧盟(eu.)的weee和rohs提出禁止使用sn-pb焊锡。这将导致一系列的工业革 新，如部件体积和重量的减少，各种各样无铅产品的出现，改变现有的焊接牛产线等。参照国际标准(iec，iso)和日本国家标准 (jis )，并根据这些标准做了一系列的试验，通过试验对无铅焊润湿性、强度、耐久性等可靠性的评价方法进行说明。关键词：无铅焊，润湿性，接触角，耐久性中图分类号：t605文献标识码:a文章标码：10

2、04 - 4507 ( 2005) 12 - 0051-05手机、数字照相机、笔记本电脑等产品的小型化、轻量化发展的同吋，欧盟出台了关于废弃电气电子仪器(weee : waste el ectrical and electronic equipment)法案及特定有害物质的使用限制(rohs : restriction of the use of certain hazardous substances) 之规定。即，2006年7月1日之后，对在电子仪器及封装业中，广泛使用的，不可缺的sn- pb系列焊锡将全面禁止。为此，在电 子产业界，对封装部件的小型化，无铅焊锡的开发，生产线的变更等等技术

3、改造和变革将迫在眉睫。本文将依据国际标准iec、iso、jis，通过实际测量结果，对无铅焊的润湿性、强度、耐久性等可靠性的评价方法进行说明。1各种标准(无铅焊相关的)对sn pb系列焊锡，我们有各种各样的标准。无铅焊从定义、种类、组成等也有其对应的iec、iso、jis等国际标准，并正 在进一步完善。如各标准对无铅的定义(铅的含量)、种类的一致性也还在进行调整，在日本国内使用的jis标准，于2004年3月 与iec标准也进行了一致性的调整(例焊锡试验方法(平衡法)jis c 0053->jis c 60068-2-54)。关于无铅焊标准，无铅焊试验方法第2部第7部(jis z3198-1

4、31987)在2003年6月被制定。具体为：无铅焊试验方法(jis z 3198-13198-7)第1部熔融温度范围测定方法第2部机械特性试验方法-拉力试验第3部扩散试验第4部采用wetting balance法及接触角法的润湿性试验方法第5部焊接处的拉断及剪切试验方法第6部qfp管脚焊接处45°拉断试验方法第7部集成部件焊接处剪切试验本文，在无铅焊润湿性试验中，采用的试验方法是第4部及第5、6、7部的强度试验测定方法。2 wetting balance法及测定实例2.1测定原理在各个标准采用的试验法中，将试件浸入到焊锡屮，试件周围就会受到润湿力f（见图1）的作用。通过测量这个力，就

5、可以 对润湿的速度、最大润湿力等可靠性指标进行评价。f= （ 7 cos6 l-vpg） 10-2 （1）7 :表面张力v:浸入体积0 :接触角p :密度l:周围长度g:重力加速度2.2评价方法一试件从焊锡上方任意位置浸入焊锡时，将会得到像图2所示的润湿性曲线。试件从液面浸入、将会受到方向向上的浮力（& >90°）作用，进一步润湿（& <90°），试件周围形成双曲线凹面。相对于润湿的速度而言，评价方法就是：测定试件与液面接触 开始，到6 90。为止的时间（t0）及液面接触开始到达最大的润湿力的2/3处的时间（t1）。并且，求出试件从焊锡中拔出时的

6、润 湿力（fend）和最大润湿力（fmax）的比。当比値fend/fmax0.8时，就可以断定有润湿现象发生。2.3评价方法二用wetting balance法进行试验时，根据测试对象或目的的不同有多种方法，图3是对表面封装部件（smd）进行试验后的评 价方法。焊锡小球法是根据标准iec60068-2-69，jis c 6068-2-69，jei-ta7401而设计的试验方法。具体的，在铝块上制作 焊锡小球，从而完成对浸入焊锡小球屮的部件的测试。阶梯升温法及急速加热法是根据标准eiaj et 7404而设计的试验方法。以 焊锡膏作为测试对象，对其润湿性进行评价。阶梯升温法是在试验板上，先涂上焊

7、锡膏，smd浸入其中，焊锡膏的温度变化和回 流焊的温度变化一致的情况下，达到熔融状态时，对其润湿力进行测定；急速加热法则是焊锡汙温度在短!时问内上升到熔融状态时， 对其润湿力进行测定的方法。2.4润湿性试验举例图4是各种焊锡润湿性试验的结果。在试件（脫磷酸铜10x30x0.3）、助焊剂、试验条件一定的情况下，根据焊锡种类的不同， 将得到不同的试验结果。可以看到，各结果的润湿力儿乎都一样，但过零时间（t0）的差别比较大。具体的，sn-37pb t0=ls，s n-0.7cu t0=3s，sn-3.5ag to = 1.6s，sn-3ag-2bi to = 1.4s。很明显 sn-37pb 的润湿

8、性最好。sn-0.7cu 的过零吋间大约是它 的3倍，润湿性也就最差。sn-3.5ag和sn-3ag-2bi相比较，过零时i'可大体一样，润湿性也相近。因此，润湿性优劣的顺序依次 是 sn-37pb sn-3ag-2bi，sn-3.5ag，sn-0.7cu。在以下的条件下，用焊锡小球法对部件0603c的润湿性的测试结果见图5测定部件:0603c焊锡：sn-3ag-o.5cu温度：245°c焊锡球:el (5mg)浸入深度：0.05mm浸入速度：0.1mm/s对微小的snd部件，比如像尺寸在0603以下，管脚很小的部件，在测试吋，一般浸入深度设定在0.2mm以下，试件和小球 的

9、距离也要很好的控制。测定的润湿力为0.25o.35mn。另外，在现有的各标准中，snd部件的尺寸最小到1005c，1005r，而06 03以下的部件尙未被标准化。图6为根据标准jis z3198-4中规定的试验方法，对各种无铅焊锡接触角的测试结果举例。具体的测试方法是，试件浸入焊 锡中后，对其周围形成的内圆角表面的反射进行测暈。试验的试件、焊锡的种类、测量条件等勻图4 一样。（浸入时间为8s）测定 结果分别是 sn-37pb 39.6°，sn-0.7cu 52.3°sn 3.5ag0.5cu 49.7°，sn-3ag-2bi 49.6°。其顺位与图 4

10、润湿力测定结果的顺位 是致的°即* sn0.7cu的接触角最大* sn-3.5ag，sn-3ag-2bi的接触角人体一样。另外，需要说明的是图6所用的助焊剂分 别是非活性a和活性化的b。3焊接处强度试验3.1 45°拉断试验图7及图8所示，是根据标准jis z 3198-6的规定而设计的45°拉断试验方法。qfp试验要求测试的项目是，最大拉断力、 破断位置（管脚处、焊锡处、局部）。图9表示的是试验中力的变化曲线，图10是qfp ' sop等的测定结果。3.2集成部件焊接处强度试验图11所示是根据标准jis z 3198-7而设计的对集成部件焊接处强度进行剪

11、切试验的说明。焊接在基板上的集成部件，被先 端半径为r0.25的推具推断，从而得到了最大推断力和破断时的位罔（焊锡部、界面、部件部）。3.3耐久试验基板的耐久试验是分别根据标准jis c60068-2-21 eiajrcx-0104/101中所规定：在一定的条件下，基板弯曲时，对其电 气、机械性能的试验方法：标准eiaj et-7407中所规定：对csp bga封装状态下，多次弯曲时，对其电气、机械性能的试验 方法。图12和图13是管脚接合部的强度试验举例。貝-体的是确定有无破断的地方；焊接种类不同结果有无影响；与形状有关否等。 图14是在试验条件为：弯曲距离1mm，速度lmm/sec，弯曲次

12、数5 000次的情况下，试验结果的照片，很明显看到的是，焊锡种类 不同，破断的地方亦不同。3.4 bga接合强度试验图15是bga接合强度试验方法，图16是测量中的照片。同前所述耐久试验相同的试验方法有两种。第-种，极限弯曲试验， 测定弯曲的距离和破断个数。第二种，多次弯曲试验，测定弯曲的次数和破断个数。3.5其他测定例图17是手机按键的耐久试验，图18是连接器拔插耐久试验。手机、数字照相机等使用的与外部相连的连接器、插口以及sd 存储器，微型识字卡，pc卡等，这些接插部分必须保证几万次的耐久次数。图19是连接器端子部焊接合面的强度试验，实验条 件：速度lmm/s，作用力5.5kg，作用时间2s，试验次数10 000次