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，东京都日野市日野本町11517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SnPb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，改变现有的焊接生产线等。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：10044

2、507（2005）12005105 手机、数字照相机、笔记本电脑等产品的小型化、轻量化发展的同时，欧盟出台了关于废弃电气电子仪器（WEEE：Waste Electrical 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SnPb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改造和变革将迫在眉睫。本文将依据国际标准I

3、EC、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SnPb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 0053JIS C 60068254）。关于无铅焊标准，无铅焊试验方法第2部第7部（JIS Z3198131987）在2003年6月被制定。具体为： 无铅焊试验方法

4、（JIS Z 3198131987）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，将试件浸入到焊锡中，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，就可以对润湿的速度、最大润湿

5、力等可靠性指标进行评价。F（cos LVG）102 （1） ：表面张力 V：浸入体积 ：接触角 ：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润湿力（Fend）和最大润湿力（Fmax）的比。当比值Fend/Fmax0.8时，

6、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IEC60068269，JIS C 6068269，JEITA7401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中的部件的测试。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

7、进行测定；急速加热法则是焊锡膏温度在短时间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（脱磷酸铜10×30×0.3）、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，各结果的润湿力几乎都一样，但过零时间（T0）的差别比较大。具体的，Sn37Pb T01s，Sn0.7Cu T03s，Sn3.5Ag T01.6s，Sn3Ag2Bi T01.4s。很明显Sn37Pb的润湿性最好。Sn0.7Cu的过零时间大约是它的3倍，润湿性也就最差。Sn3.5Ag和Sn3Ag2Bi相比较，过零时间大体

8、一样，润湿性也相近。因此，润湿性优劣的顺序依次是Sn37Pb Sn3Ag2Bi，Sn3.5Ag，Sn0.7Cu。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：Sn3Ag0.5Cu 温度：245 焊锡球：1（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，在测试时，一般浸入深度设定在0.2mm以下，试件和小球的距离也要很好的控制。测定的润湿力为0.250.35mN。另外，在现有的各标准中，SND部件的尺寸最小到1005C，1005R，而0603以下的部件尚未被标准化。图6

9、为根据标准JIS Z31984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量。试验的试件、焊锡的种类、测量条件等与图4一样。（浸入时间为8s）测定结果分别是Sn37Pb39.6°，Sn0.7Cu 52.3°Sn3.5Ag0.5Cu49.7°，Sn3Ag2Bi49.6°。其顺位与图4润湿力测定结果的顺位是一致的。即，Sn0.7Cu的接触角最大，Sn3.5Ag，Sn3Ag2Bi的接触角大体一样。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

10、.1 45°拉断试验 图7及图8所示，是根据标准JISZ31986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 Z31987而设计的对集成部件焊接处强度进行剪切试验的说明。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置（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 C60068221 EIAJRCX0104/10

11、1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 ET7407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。具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1mm/sec，弯曲次数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。第一种，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1mm/s，作用力5.5kg，作用时间2s，试验次数10 000次，观察焊锡接合