精选哈尔滨工业大学硕士毕业论文模板

1、哈尔滨工业大学硕士毕业论文模板哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 STYLEREF 标题,章标题(无序号) * MERGEFORMAT Error! No text of specified style in document.PAGE II- -PAGE 12- -摘要电子组装业有铅钎料禁用期限日益临近。行业内包括材料、设备、生产等各环节的厂商都在加快无铅制程导入的步伐。无铅化过程中，外表组装的焊接工艺至为重要，而随着熔点较高的新型钎料陆续应用，焊接过程的冷却速率也逐渐成为被关注点。无铅钎料熔点较Sn-Pb共晶提高30-40，焊接温度相应提高。炉温的提高对元件和电路板构成挑战，焊接出炉温度也相应

2、提高，钎料液相线上时间相对延长。较快的冷速可以控制出炉温度，从而一定程度的控制焊点内部组织以及界面化合物的厚度，提高焊点质量。本文基于实际的回流焊生产工艺，研究冷却速率对无铅焊点质量的影响。主要研究两种无铅焊膏在不同冷速下焊点微观组织和力学性能的变化。实测冷速在-4/S -6.5/S之间时形成的无铅焊点具有以下特点：微观组织细化，金属间化合物Ag3Sn和Cu6Sn5呈细颗粒状在钎料中弥散分布，使焊点断裂为韧窝断裂模式，可以起到类似复合材料的原位增强作用。在钎料和Cu盘的界面，化合物厚度较小，且呈大波浪形态，容易缓解应力集中的问题，焊点的力学拉脱载荷最大；当冷速小于-1.5/S时，组织粗化。内部

3、Ag3Sn粗大而锋利，界面的Cu6Sn5呈冰凌状，且厚度较大。焊点在推剪时这成为裂纹萌生点，焊点的力学拉脱载荷最小。关键词回流焊；冷却速率；拉脱载荷；推剪；焊点质量；AbstractThe legislation to ban the use of Pb-based solders will become effective im-mediately, which provide a driving force for enterprises to accelerate Pb-free process. Its found that reflow soldring plays an impor

4、tant role in Surface Mount-ing Technology ,moreover, cooling rate in reflow soldering profile is getting more and more attention after the use of high-melting-point solders.The melting point of Pb-free solders is 3040 higher than Sn-Pb eutectic solder. The increase of temperature in reflower becomes

5、 a challenge of Print Circuit Board (PCB) and components. As a result, the Time Above Liquid (TAL) of solder joints becomes longer, therefore, fast cooling in reflow soldering is used for controlling the PCBA temperature , improving the microstructure of joints and decreasing the thickness of interm

6、etallic compound , consequently, high quality products can be obtained.How cooling rate affects the quality of soldering joints in lead-free process was studied in this paper. The experiments were based on practical industrial production and it focused on the effect of cooling rate on microstructure

7、 and mechanical properties. When cooled at 46/S, the microstructure of joints were refined, the IMC of Ag3Sn and Cu6Sn5 phases disperse in eutectic network in joints which present spherical particles. The fracture of these joints after tensile failure presents dimple mode. Furthermore, the thickness

8、 of IMC was thin and it present gentle incline morphology. It KeywordsRflow Soldring;Cooling Rate;Pulll；Push;不要删除行尾的分节符，此行不会被打印哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc135629501 摘要 PAGEREF _Toc135629501 h I HYPERLINK l _Toc135629502 Abstract PAGEREF _Toc135629502 h II HYPERLINK l _Toc135629

9、503 第1章 绪论 PAGEREF _Toc135629503 h 1 HYPERLINK l _Toc135629504 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc135629504 h 1 HYPERLINK l _Toc135629505 1.2 研究现状 PAGEREF _Toc135629505 h 2 HYPERLINK l _Toc135629506 1.2.1 电子组装工艺 PAGEREF _Toc135629506 h 2 HYPERLINK l _Toc135629507 1.2.2 无铅回流焊工艺 PAGEREF _Toc135629507 h 3 HYPERLINK

10、l _Toc135629508 1.2.3 无铅回流焊中冷却速率研究现状 PAGEREF _Toc135629508 h 5 HYPERLINK l _Toc135629509 1.3 本文主要研究内容 PAGEREF _Toc135629509 h 10 HYPERLINK l _Toc135629510 第2章 不同冷速的无铅焊接工艺实验 PAGEREF _Toc135629510 h 11 HYPERLINK l _Toc135629511 2.1 引言 PAGEREF _Toc135629511 h 11 HYPERLINK l _Toc135629512 2.2 试验条件 PAGER

11、EF _Toc135629512 h 11 HYPERLINK l _Toc135629513 2.2.1 试验材料 PAGEREF _Toc135629513 h 11 HYPERLINK l _Toc135629514 2.2.2 试验设备 PAGEREF _Toc135629514 h 13 HYPERLINK l _Toc135629515 2.3 温度曲线调试 PAGEREF _Toc135629515 h 14 HYPERLINK l _Toc135629516 2.4 焊接试验结果 PAGEREF _Toc135629516 h 18 HYPERLINK l _Toc135629

12、517 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc135629517 h 19 HYPERLINK l _Toc135629518 第3章 冷速对无铅焊点微观组织的影响 PAGEREF _Toc135629518 h 21 HYPERLINK l _Toc135629519 3.1 引言 PAGEREF _Toc135629519 h 21 HYPERLINK l _Toc135629520 3.2 无铅焊点微观组织 PAGEREF _Toc135629520 h 21 HYPERLINK l _Toc135629521 3.3 冷速对焊点内部组织的影响 PAGEREF _Toc1356295

13、21 h 24 HYPERLINK l _Toc135629522 3.4 冷速对焊点界面组织的影响 PAGEREF _Toc135629522 h 28 HYPERLINK l _Toc135629523 3.5 不同冷速对时效过程界面IMC生长的影响 PAGEREF _Toc135629523 h 30 HYPERLINK l _Toc135629524 3.6 本章小结 PAGEREF _Toc135629524 h 33 HYPERLINK l _Toc135629525 第4章 冷速对无铅焊点力学行为的影响 PAGEREF _Toc135629525 h 34 HYPERLINK l

14、 _Toc135629526 4.1 引言 PAGEREF _Toc135629526 h 34 HYPERLINK l _Toc135629527 4.2 冷速对无铅焊点力学性能的影响 PAGEREF _Toc135629527 h 34 HYPERLINK l _Toc135629528 4.2.1 力学测试仪器 PAGEREF _Toc135629528 h 34 HYPERLINK l _Toc135629529 4.2.2 QFP焊点的力学测试 PAGEREF _Toc135629529 h 35 HYPERLINK l _Toc135629530 4.3 冷速对无铅焊点断裂行为的影

15、响 PAGEREF _Toc135629530 h 38 HYPERLINK l _Toc135629531 4.3.1 QFP焊点拉脱断裂模式 PAGEREF _Toc135629531 h 38 HYPERLINK l _Toc135629532 4.3.2 QFP焊点的断口特征 PAGEREF _Toc135629532 h 41 HYPERLINK l _Toc135629533 4.3.3 片式电阻焊点推剪的断口特征 PAGEREF _Toc135629533 h 41 HYPERLINK l _Toc135629534 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc135629534

16、h 43 HYPERLINK l _Toc135629535 第5章 无铅回流炉的冷却模块 PAGEREF _Toc135629535 h 44 HYPERLINK l _Toc135629536 5.1 引言 PAGEREF _Toc135629536 h 44 HYPERLINK l _Toc135629537 5.2 回流炉结构 PAGEREF _Toc135629537 h 44 HYPERLINK l _Toc135629538 5.3 本章小节 PAGEREF _Toc135629538 h 46 HYPERLINK l _Toc135629539 结论 PAGEREF _Toc1

17、35629539 h 47 HYPERLINK l _Toc135629540 参考文献 PAGEREF _Toc135629540 h 48 HYPERLINK l _Toc135629541 附录 PAGEREF _Toc135629541 h 49 HYPERLINK l _Toc135629542 攻读学位期间发表的学术论文 PAGEREF _Toc135629542 h 50 HYPERLINK l _Toc135629543 致谢 PAGEREF _Toc135629543 h 51 HYPERLINK l _Toc135629544 索引 PAGEREF _Toc13562954

18、4 h 52 HYPERLINK l _Toc135629545 个人简历 PAGEREF _Toc135629545 h 53千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域，然后“更新整个目录。打印前，不要忘记把上面“Abstract这一行后加一空行绪论课题背景欧盟的WEEE和RoHS两指令规定从2006年7月1日起全面实现无铅化电子组装。中国顺时而动，也以此为有铅的禁用期限 。包括法令、市场竞争和客户要求等在内的诸多因素都促使国内企业必须加速导入适于自身产品的无铅制程。应对无铅运动挑战对企业而言可谓逆水行舟，不进那么退。所以各企业必须从无铅SMT的特性包括材料、工艺、设备

19、以及DFMDesign For Manufacture等各方面着手，制定最适合自己产品的无铅制程。通过几年来的努力,国内企业对于无铅回流焊已经积累了较为丰富的经验。在焊膏方面，Sn-Ag和Sn-Ag-Cu系合金已经广泛应用 钱乙余, 王凤江等. 国内外无铅钎料开展综述. 锡焊料行业厂长联络网成立十周年会议.中国海口. 2023, 4:17-30，供给商们仍在努力研究，相信更优性能更低本钱的助焊剂和焊膏将会陆续出现；在设备方面，无铅制程中受影响最多的回流焊机通过在加热模块、氮气保护、助焊剂回收管理、智能控制等方面的开发逐渐适应了无铅 找一篇设备的；工艺方面，通过制程优化和精确的温度控制，缺陷已经

20、大为减少，成品率和焊点可靠性逐渐得到提高。但是，由无铅焊膏自身特性带来的一些新问题如竖碑、外表裂纹、锡须等等仍未能彻底解。各类缺陷问题在陆续出现，但客户对产品的质量要求却不断提高，这促使制造工艺尤其是焊接工艺愈来愈受人们关注。针对高可靠性要求的通讯设备、汽车电子等产品，设备商、材料商和制造商通常派出技术人员共同解决生产中出现的工艺缺陷。其中，在有铅电子组装工艺中并不受重视的冷却速率在无铅导入过程中逐渐引起人们的关注。因为 Hall, W.J. Cooling Parameters in Reflow Soldering, APEX 2000, Long Beach, CA, 2000.、 Yu

21、nus.M, Srihari.K, Shear Strength of Lead Free Solder Alloys, Technical Report, Area Array Consortium, Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York, 1999：1铅焊接温度升高，PCB组装板出炉温度高。高温时间过长必然造成对元件、焊盘镀层以及PCB板等的热冲击。需要可靠的冷却手段降低出炉温度。2焊点钎料液相线以上时间必须加以控制，以减少钎料和焊盘的反响时间，防止脆性的金属间化合物生长过厚，影响接头强度。3无铅焊点外表发黑，改变冷

22、速可以改变焊点光亮。然而，冷却速率并非越快越好，过大的冷速又会导致应力集中，出现元件破裂和PCB翘屈等缺陷。且焊点在钎料、PCB组件密度和尺寸、焊盘材料等诸因素不同时对冷速率要求也不尽相同。工艺人员制定温度曲线时多凭经验，没有较为深刻的认识。本文基于实际SMT生产研究冷却速率对无铅回流焊焊点质量的影响。主要研究冷速对微观组织和焊点的力学性能的影响，着重于研究工艺、焊点组织和焊点力学性能之间的关系。得出生产中冷却速率确实定方法，为SMT生产组装焊接工艺提供数据参考，并作为设备开发的根本工艺依据。研究现状电子组装工艺一款电子产品从设想到应用所经过的主要环节包括：电路设计集成电路设计和PCB电路设计

23、等、元器件制造半导体封装与测试、PCB电路板制造、电子组装和产品的测试应用。其中电子组装是属于板级组装，即完成各类元件和电路板的互联。使各型元件在电路板上协同工作，实现整机功能。电子组装使元件和电路板完成两种意义上的连接：一、机械连接，即到达一定要求的机械强度和使用可靠性；二、电气连接，即元件之间信号传输畅通无阻并且噪音小，抗干扰能力强。焊接是目前电子制造业中实现这两种连接应用最有效最广泛的连接方法。电子产品的焊接方法应用最为广泛的有两类，其一为通孔焊接(Through Hole Technology)。通孔焊接即元件引脚和电路板上确定位置的通孔相配合引脚插入通孔在以钎焊完成连接。为了实现群焊

24、，开展起来波峰焊完成通孔焊。通孔焊接的优点在于连接强度高，易于实现，本钱较低。但是随着电子产品的高密度化和小型化，通孔焊要进一步提高组装密度减小体积变得较为困难。相对于通孔焊接开展起来外表组装(Surface Mounting Technology)即直接把元件的焊端或引脚贴装在PCB外表的焊盘上，以回流焊完成电气和机械连接。外表组装是组装工艺中的具有革命性意义的进步。由于相应的开展起来各种封装形式的贴装元件，该技术使得组装密度大为减少，结构更为紧凑。同时电信号的传输距离缩小，抗干扰能力增强，电气性能也大大提高 张文典，实用。外表电子组装工艺主要环节包括：焊膏印刷、元件贴装和回流焊。焊膏印刷工

25、艺主要由印刷机实现。印刷机上刮刀从具有一定厚度的模板上刮过，由于模板上有和PCB焊盘一一对应的漏孔，靠刮刀挤压把膏状焊料转移到焊盘上。机器印刷属于群操作工艺，即所有点一次完成印刷。靠模板基准点实现精确定位，并通过控制模板厚度来实现焊盘上所需焊膏精确定量；元件贴装由贴片机完成，把SMD外表贴装元件精确的贴装到已经印有焊膏的位置。由于焊膏本身具有一定程度的粘性，所以元件在焊盘上可以暂时固定。最后是回流焊工艺，即把贴装完毕的PCB组件通过回流炉加热，使焊点熔化，完成焊接。回流焊工艺参数的决定和焊膏性能相关。焊膏由合金粉末和助焊剂组成。助焊剂本身包括有机溶剂、活性剂等物质，在加热过程中逐渐挥发，去除焊

26、盘和元件引脚的氧化物质，帮助钎料润湿铺展。因为助焊剂的挥发和其中活性剂的激活都受温度影响，故回流焊工艺加热温度和时间成为重要参数。回流焊工艺通常分为升温、预热、回流和冷却四个阶段，最主要是要做到在合金熔化前助焊剂既能完全挥发掉，又能彻底的去除氧化物并且对液态焊点外表进行保护 K.H.Prakash , T.Sritharan. Interface Reaction between Copper and Molten Tin-Lead SoldersJ . Acta Mater. 49(2001), pp2481-2489、 D.Santos, S.Saiyed, F.Andros. Effec

27、t of Reflow Profile on Shear Strength of Sn-4.0 Ag-0.5Cu Solder Joint. Forthcoming: Proceedings of the NSF Grantees Conference,Dallas,TX,2023。比方升温速率太快那么助焊剂挥发剧烈，导致钎料飞溅，冷却后形成锡球。如果锡球出现在细间距元件两引脚之间，那么可能形成短路；假设加热时间不够，助焊剂在合金中有残留而不能完全以气体逸出那么产生气孔；假设助焊剂过早挥发掉，那么可能出现润湿不良，钎料在焊盘外表不铺展等等，这些都是可能造成整块电路板失效的因素 Iver.E.

28、Anderson, et al. Development of Eutectic and Near-Eutectic Tin-Silver-Copper Solder Alloys for Lead-Free Electronic Assemblies. IPCWorks 99: An International Summit on Lead-Free Electronics Assemblies, Minneapolis, MN。无铅回流焊工艺无铅带来机遇和市场，同时也带来问题和挑战。目前应用广泛的几种无铅钎料熔点比传统Sn-Pb共晶钎料熔点高出3040左右。而钎焊峰值温度须高出熔点2040

29、才能保证钎料的良好润湿，这使得无铅化后钎焊峰值温度到达250左右表1-1。表1-1 Sn-Pb钎料与无铅钎料熔点及钎焊峰值温度比拟 Claude Carsac, Jason Uner and Martin Theriault. Inert Soldering with Lead-free Alloys: review and evaluationR. IPC SMEMA Council, 2001焊膏熔点钎焊峰值温度范围Sn-37Pb183208235Sn-3.5Ag221242262Sn-3.0Ag-0.5Cu217219242262除了温度升高，无铅钎料的润湿性弱于传统的Sn-Pb共晶钎料

30、。润湿角大，润湿力减小，圆角过渡不圆滑，空洞出现的几率增加；焊接温度提高使钎料和焊盘氧化更严重，也是导致润湿不良的原因之一，产生许多焊后缺陷。这些问题的出现对回流焊设备和工艺都提出新要求。在回流焊工艺方面，最主要的变化表达在预热和回流峰值温度相应升高，加热时间更长图1-1。图1-1 有铅与无铅典型回流焊温度曲线比拟 史建卫, 氮气保护对无铅化电子组装再流焊工艺的影响D.工学硕士论文，2023年4月，哈尔滨工业大学从表1-2的几种无铅钎料推荐工艺参数也可以看出工艺的变化。表1-2 几种品牌钎料的推荐工艺参数 E.P.Wood, K.L.Niimmo, In Search of New Lead-

31、Free Electronic SoldersJ.Journal of Electronc Materials. 23(1994),pp709-714品牌SENJUGENMAINDIUMALPHLA成分SAC305SAC305SAC305SAC305预热升温1-3/S1-4/S2-4/S1-3/S预热温度120-170150-180150-200150-170预热时间100-120S60-90S60-120S60-90S回流升温1-3/S1-3/S220上时间30S30S20-40S峰值温度230230-250230-240240由于无铅钎料和Sn-Pb共晶钎料的特性差异，无铅回流焊工艺和传统

32、有铅回流焊工艺相比，有以下不同 Yunus.M, Srihari.K, Reflow Profile Development for Lead Free Solders, Technical Report, Area Array Consortium, Universal Instruments Corporation, Binghamton, New York, 1999、 N.C.Lee, Reflow Soldering Processes and Troublesbooting SMT, BGA, CSP, and FlipChip Technologies, Newnes,2023、

33、 ：1预热区时间加长，预热温度升高，使助焊剂在回流区以前充分挥发，增强熔融钎料的润湿性。2焊料熔点高回流温度升高,工艺窗口回流上下限温度差变窄，只有810。温控精度要求高,工艺余量少。3由于焊膏润湿性变差，所以助焊剂要求更高。但出于减少腐蚀和污染的考虑，助焊剂活性的不宜太强，只能增大用量。对于高可靠性要求产品实施氮气保护下的焊接。4由于焊接区温度升高，出炉温度随之升高，要控制钎料在液相线以上的时间，对冷却速率提出了新要求。无铅回流焊中冷却速率研究现状目前对冷却速率影响的研究主要是以铸造态合金为研究对象，通常以三种冷速进行冷却：水冷、空冷和炉冷，冷却速率由大到小。如图1-2a, F.Ochoa等

34、人研究了Sn-Ag系在各种冷却条件下的微观组织 F.Ochoa,J.J.Williams,N.Chawla. Effect of Cooling Rate on The Microstructrue and Mechanical Behavior of Sn-3.5Ag solderJ. Electron Mater,2023。快速冷却导致液态钎料非平衡相固化，生长出较细的富锡枝状晶，周围是共晶带。共晶带由富锡基体和球状颗粒Ag3Sn组成。图1-2b为-0.5/S的慢速冷却，也会导致非平衡固化。但微观结构为较粗大的富锡枝状晶，共晶富锡基体中的Ag3Sn颗粒也相对较大。富锡相和共晶带的颗粒尺寸都

35、随冷速增加而减小。慢冷件微观可以较为清晰的看到Ag3Sn沉积物呈片状，Ag3Sn在冷却过程中率先形核，是初始相。大块片状初始相Ag3Sn沉淀物应该被防止，因为它较脆，当钎料接头在低应力或者循环应力条件下工作时导致缺陷。 a水冷：-24/S b空冷：-0.5/S图1-2 Sn-3.5Ag扫描照片K.S.Kim等人研究说明,对于Sn-Ag-Cu系铸造态合金，冷却速率的影响与Sn-Ag系类似 K.S.Kim,S.H.Huh,K.Suganuma. Effects of Cooling Speed on Microstructure and Tensile Properties of Sn-Ag-Cu

36、 alloys J. Materials Science and Engineering.A333 (2023) 106-114。主要是快冷时枝状晶间距减小，晶粒尺寸减小。而慢冷由于反响时间的增加使共晶网络的宽度增加如图1-3。 a水冷：-8.3/S b空冷：-0.43/S图 1-3 无铅钎料Sn-3.0Ag-0.5Cu扫描照片金属间化合物IMC主要是-Cu6Sn5的初始形态也和冷速大有关系。图1-4显示水冷和空冷的IMC相对炉冷件要薄，而且生长面较平坦。炉冷件相较厚，呈扇贝状。X.DENG等人认为：IMC厚度之所以受冷速变化的影响，是因为冷速减小时钎料液态滞留时间增加，相当于再流时间延长，反

37、响和扩散也增强，所以冷速降低出现IMC厚度增加 X.Deng, G.Piotrowski, J.J.Williams, and N.Chawla. Influence of Initial Morphology and Thickness of Cu6Sn5 and Cu3Sn Intermetallics on Grows and Evolution during Thermal Aging of Sn-Ag solder/Cu joints J.Journal of Electronic Materials, Dec 2023。同时冷速越小IMC形状起伏越大。这样的形状也会对SMT焊点有劣

38、化作用。 (a) -106/S (b) - 5.4/S (c) -0.1/S图1-4 不同冷速下 Sn-3.5Ag/Cu界面的IMC形貌 对于拉伸和屈服强度，如表1-3,J.Madeni研究了冷却速率对几种无铅钎料的影响 J.Madeni, S.Liu, and T.Siewert, Casting of Lead-free Solder Specimens with Various Solidification Rates, ASM-International Conference, Indianapolis 2001。可见，水冷同时提高了钎料的拉伸强度和屈服强度，而且屈服强度提高尤其明显。

39、Yang W.Yang, L.E.Felton and R.W.MesslerJr, Journal of Electronic Materials, 2410,1465 (1995).等人的研究结果也说明冷速的增加提高屈服强度、剪切强度。Kim等人的实验也说明Sn-Ag-Cu系钎料合金冷速增加时拉伸强度增加 NOTEREF _Ref135640948 h 12。表1-3 两种冷却方式引起的强度变化比照 NOTEREF _Ref125183203 h * MERGEFORMAT 14SampleProcessYS(MPa)UTS(MPa)Sn-3.5Ag Water Quench2428Air

40、 Cooling1928Sn-3.2Ag-0.8CuWater Quench2832Air Cooling2030Sn-3.0Ag-0.5CuWater Quench3033Air Cooling2527强度随冷速的增加而增加可以由微观结构的细化来解释，由尺寸和强度关系函数Hall-Petch公式可知，冷速细化微观组织，从而提高强度。而且枝状晶尺寸减小那么界面面积增加也使抗断裂能力增加，起到强化作用。Yang等人认为弥散分布颗粒越细钎料接头的强度越高 NOTEREF _Ref125183279 h * MERGEFORMAT 15。在水冷时接头工作淬硬速率最大是由于细化和弥散分布的Ag3Sn硬

41、度高于锡基体。锡基体使断裂性能提高。冷速减小微观尺寸增加，因此炉冷条件下获得的较粗的微观结构将导致断裂性能变差。快冷改变微观组织结构，从而也对无铅钎料的蠕变行为产生重要影响。F.Ochoa等人的研究说明冷速的增加使试件抗蠕变性能增加 F.Ochoa, X.Deng, and N.Chawla. Effects of Cooling Rate on Creep Behavior of Sn-3.5Ag alloyJ. Journal of Electronic Materials,Vol.33, No.12, 2023。这是快冷形成的细小富锡枝状晶和锡基体中细小弥散的Ag3Sn颗粒使接头抗断裂性

42、能提高从而提高蠕变性能。相反，慢冷时粗大的晶体容易导致裂纹并扩展。Sn-Ag系的蠕变性能提高主要是弥散分布颗粒起到了增强作用。而通过研究微观结构和应力值变化，结果说明变形过程的主导机制并非晶界滑移。比照Sn-37Pb钎料，冷却速率对其拉伸和蠕变性能的影响都和Sn-Ag-Cu系合金相反。锡铅钎料快冷时共晶体中Pb成球状，虽然同样是快冷使相细化，但差异在于Pb硬度比富锡基体弱而且其含量远大于Ag在Sn-Ag和Sn-Ag-Cu合金中的含量。所以快冷导致的Sn-Pb钎料微观细化，反而使其在变形过程中更有利于晶界滑移。故拉伸和抗蠕变性能相对较低 找一篇SnPb的。可以说Pb和Ag3Sn本身的性质决定了合

43、金的主导变形机制，使冷却速率有不同的表现。这也是冷却速率在无铅焊接中较受关注的一个原因。除了以上冷却速率的一些影响以外，快速冷却还可以获得比慢冷更为光亮的外观。图6是AIM公司对不同焊膏加热熔化后采用不同冷速冷却获得的外观图片，快速冷却的外观明显比慢冷的亮，所以快冷可以解决实际生产中焊点金属光泽差的问题 J.Hwang, Environmentally-Friendly Electronics: Lead Free Technology, Electrochemical Publications,2001。 Sn-37Pb Sn-0.7Cu Sn-3.8Ag-0.1Cu Sn-3.0Ag-0.

44、5Cu图1-5 几种钎料在不同冷速下的外观除了对基于铸造态钎料进行的冷却速率方面的研究，行业内的一些企业和组织开始以实际组装板为对象研究冷速的影响。人们开始关注快冷导致的应力问题，慢冷出现的缺陷问题以及产品的长期可靠性等等。试图确定各型产品的最正确冷却速率。美国的Amkor公司对Sn-Ag-Cu系列的钎料BGA焊点进行了全面的可靠性研究 。在快速冷却的情况下，Sn-Cu、Sn-3.4Ag-0.7Cu及Sn-4.0Ag-0.5Cu焊点可靠性提高了超过20%。日立公司在其某型便携式信息产品上的应用Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，冷速为-4/S。该产品基板装有1.27mm间距的BGA、0.5mm

45、间距的QFP，0.5间距的连接器，1.00.5mm的片式元件。焊后焊点外观漂亮，很少外观缺陷，可靠性测试结果业十分好，产品进入批量化生产 。IBM公司的技术人员采用两种冷速对SAC钎料的BGA焊点冷却固化：(a)在一种油介质中快冷(接近100C/s)，(b)在炉中慢冷(0.02C/s)。如图1-6a所示,形成很细的Sn枝状晶并在其间形成较细的共晶带。快冷形成较大的温度梯度，使枝状晶生长尺寸细化，且形成弥散强化的Ag3Sn或Cu6Sn5，使接头的拉伸强度和抗蠕变性能都大为提高。如图1-6b，慢冷形成的微观组织粗大，又因为Ag3Sn 或Cu6Sn5 呈先共晶相出现，生长形态不规那么且尺寸偏大，失去

46、了弥散强化效果，这大大降低了接头的质量。在实际生产中，采用1.5/S或稍大的冷速对接头冷却可以有效抑制大片状Ag3Sn或Cu6Sn5, 起到弥散强化作用，提高钎料接头质量。 a快冷 (b)慢冷图1-6 两种冷速下获得的组织比照 S.K. HYPERLINK /journal/rd/494/kangaut.html l Kang Kang, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Lead-free Solders and Solder Joints Used in Microelectronic Applications. Tech

47、nical Report. IBM Corporation，Binghamton, New York, 1999 Vitronics Soltec公司的Ursula Marquez认为：良好可控的再流工艺曲线影响回流焊接的质量，而冷却速率是工艺曲线中的重要组成局部，影响焊料在液态的滞留时间从而影响焊接质量和成品率。如表1-4，快速冷却实现了对钎料液相线以上时间TAL的控制,从而获得良好的焊点质量 Ursula Marquez, Denis.Barbini, The Importance of Cooling Rate in the Developing the Totally Controll

48、ed Reflow Process for Lead Free and Eutectic Tin Lead Processing, IPC SMEMA Council 2023, p.S11-3-13。表1-4 冷却速率对回流工艺参数的影响速率范围TAL 范围T快冷2.9C/S60 Sec7.23.9C/S43 Sec慢冷1.2C/S68 Sec6.71.9C/S55 SecUrsula Marquez实验采用的最大冷速-2.5/S，最慢-0.5/S焊接BGA器件。典型的SAC系合金在-0.5/S慢冷条件下的BGA焊点枝状晶异常粗大，IMC尺寸也较大。由于无铅本身工艺窗口窄，认为-2.5/S已

49、经属于快冷之列。如图1-7b所示，快冷时化合物厚度明显减小，且没有如图1-7a中Ag3Sn和Cu6Sn5像冰凌一样的形状。Y.QI等人研究了冷速对无铅的Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料焊接无引脚片式电阻的影响。用三种冷速进行冷却：-1.6/S,-3.8/S和-6.8/S，并进行了加速热循环试验，测试结果也说明：快速冷却的Sn-Ag-Cu钎料焊点的力学性能尤其是抗蠕变失效性能较慢冷的焊点好 Y.Qi，A.R.Zbrzez，M.Aglar.Lam. Accelerated thermal fatigue of lead-freesolder joints as a function of refl

50、ow cooling rate.J Journal of 。 a冷速-0.5/S b冷速-2.5/S图1-7 渗锡板上Sn-Ag-Cu/Cu界面微观 本文主要研究内容1以片式电容电阻为主要焊接元件，研究应用于无铅回流焊中的几种典型Sn-Ag-Cu系无铅钎料在不同冷却速率下焊接的焊点质量。2)从QFP焊点的外观缺陷，内部微观组织和QFP焊点力学性能以推剪强度为主等方面来考察不同冷却速率对所选定的典型无铅钎料焊接所得焊点质量的影响。3)无铅焊接的焊点质量与用传统Sn-37Pb钎料焊接的焊点进行比照。确定所选定的钎料焊接获得焊点高可靠性的最正确冷却速率。4)焊点温度到达固相线下某一温度后微观组织趋于

51、稳定，此后冷却速率对焊点影响作用不大。钎料从液态到固相线下的这一温度存在一个冷却效果明显的区间。研究确定所选定钎料的冷却区间，获得最正确冷却效果。双击上一行的“1“2试试，(本行不会被打印，请自行删除)不同冷速的无铅焊接工艺实验引言无铅工艺更难于控制，要求更严格，不良工艺极容易导致产品失效或者降低可靠性。在无铅制程导入研究中人们发现，无铅焊料合金的力学和蠕变等性能受温度影响的表现有别于共晶锡铅合金，因而人们对回流焊工艺重新进行了更为细致准确的研究，而冷却速率也越来越受关注。为了阐述冷速对无铅焊点的影响，本章介绍有关的工艺实验。试验条件试验材料1.电路板采用FR-4单面刚性板。Tg140,焊板上

52、有片式元件焊点共130个，如图2-1示。电路板焊盘采用镀锡工艺，镀层厚度为50m。PCB板在焊膏印刷前用酒精进行清洗，去除外表杂质污物。图2-1 实验用组装板2.外表贴装元件采用三种型号片式电阻元件：R2023、R1608、R1005以及 128个引脚、引脚间距0.4mm 的QFP。QFP相关参数如图2-2和表2-1。图2-2 QFP封装试件示意图及封装尺寸表2-1 QFP封装尺寸 N.Brady, et al, Empirical Modeling of Surface Mount Solder Joint from 132 Pin Quad Flat Pack ComponentsJ, S

53、oldering & Surface Mount Technology, 1992,10:4-8封装尺寸A1A2DEFGLbCD1E1128 QFP14.0014.000.101.0016.0016.008.858.850.600.180.153.焊膏试验采用两种无铅焊膏，焊膏A是亿铖达Sn-3.5Ag，焊膏B是Sn-3.0Ag-0.5Cu，焊膏C是锡铅共晶Sn-37Pb。主要参数如表2-2。表2-2 试验用焊膏性能参数焊膏类型A型B型C型成分Sn-3.5AgSn-3.0Ag-0.5CuSn-37Pb密度7.57.48.4助焊剂量10.00.511.510.00.5粒度25-45m25-45m

54、25-45m熔点221217-219183试验设备1.焊膏印刷设备丝印机以高精度的定量和定位把焊膏从模板转移到PCB板上相应的位置，具有高精度和高速度的特点，是SMT自动化生产的主要设备之一。本文实验采用日东SEM-688型号丝印机，树脂刮刀，不锈钢模板。印刷工艺实验参数见表2-3。表2-3 焊膏印刷工艺参数模板厚度印刷速度刮刀角度刮刀压力脱模速度0.12mm20mm/s6030N1mm/s2.元件贴装设备贴片机为三星CP45FV型，动臂式运动结构，六贴装头。贴装精度0.08mm。3.回流焊设备回流炉采用日东电子科技的两款机型，分别是NT-8N-V2和NT-8N-V3。两机型同为8温区加热，不

55、同处在于后者在冷却区具备两个冷却模块，可以在焊接时获得更大的冷却速率。NT-8N-V2外观如图2-3(a),NT-8N-V3的双模块冷却区如2-3(b)。两款机型都基于无铅焊接设计，有如下特点 日东产品说明书：(1)加热系统 加热模块均采用增强型PID控制的强制热风循环系统，具有优良的均温性和热效率。控温精度2。各温区上下加热，独立循环，独立控温。前后循环回风设计和优良的热风喷嘴对流系统，可有效防止温区之间气流影响，保证温控精确。加热效率高，升温速度快。(2)控制系统 模块化智能控制软件，电脑全自动控制各温区的上下加热模块温度，网带进板速度；可以实现各温区独立温控及监视和在线温度曲线(Prof

56、ile)测试分析功能，SmartPara虚拟仿真功能，节省参数的调整时间。(3)冷却区 采用外置冷水机冷却的高效冷水循环冷却，可以满足各种无铅冷却速率的要求。冷水区温度可以进行实时监控，外置冷水机的冷水温度可调节。 (a) (b)图2-3aNT-8N-V2回流炉；b冷却模块4.温度测试仪温度测试仪用于测试监控回流炉炉温曲线，即焊点温度和加热时间的关系曲线。通过测试，考察设定温度是否符合焊接要求，到达参数最正确设定的目的。课题中涉及的冷却速率数据主要由该仪器测试结果所得。测试过程中以热电偶连接温度测试仪和待测焊点，热电偶把电路板上焊点的温度信号转换为电信号，用相应分析软件分析即得温度曲线 温度曲

57、线测试。图2-4 温度曲线测试系统温度曲线调试衡量回流炉质量优劣最重要的两个指标是加热精度和稳定性。但SMT的流水线生产特点决定了回流炉为隧道式多模块加热结构，而各个相邻加热模块之间极容易窜温，影响加热精度和热稳定性。所以，不同的回流炉在不同的PCB组件上有不同的表现力。故了解一台设备的性能再根据焊膏参考曲线和被焊组件的特点调试温度曲线至关重要。如图2-5为本文所用B型焊膏的参考曲线。图2-5 Alpha Sn-3.0Ag-0.5Cu参考温度曲线由参考曲线可知，B型焊膏对回流焊加热根本要求如表2-4。之所以参考曲线并没有给定各项指标的具体值，是由于对于不同组装板，工艺参数存在差异。以升温速率为

58、例，要求焊点从室温到达150的速率不超过1.5/S。对于复杂的大板，为了使板上的大元件和小元件温差限制在一定范围内，通常会在较小的升温速率下加热比方0.5/S。而小板那么可以在较大的速率下加热。表2-4 B型焊膏根本加热条件加热到150的升温斜率150-180的加热时间180到峰值温度升温斜率220以上加热时间峰值温度1.5/S90-120S3/S20-40S235-245按照参考曲线要求大致设置各温区参数，执行加热并进行温度测试。反复比照测试所得曲线和参考曲线的各项参数，直至符合要求。实际过板观测焊接外观质量，最终确定各温区温度设置和网带运动速度。实际设定回流炉各温区温度见表2-5。其中一二

59、温区为升温，电路板组件进入回流炉从室温开始升温。三四五温区为平台区，焊膏中的溶剂等物质挥发。六七温区继续升温，多余物质大局部挥发，活性剂开始作用，去除焊盘外表氧化膜。七八温区为回流焊接，焊膏到达熔点，熔化并在焊盘外表润湿铺展，包围元件焊端和引脚。最后进入冷却区，焊点固化，形成稳定的永久性连接。表2-5 回流炉各温区温度设定焊膏一区二区三区四区五区六区七区八区A170180180180190210255250B170180180180190210255250C160165170170185220230180不同的网带运动速度决定电路板组件在回流炉中的加热时间，网带速度和温度设置必须最正确配合才能

60、获得良好的焊接质量。本文所有无铅焊接实验回流炉带速均设定为75cm/min，该速率通过回流炉体总长和焊膏最适加热时间计算所得。确定各温区温度设置后，用温度测试仪器对各型号曲线测试5次。纪录所得曲线的各项参数，计算平均值。实验用不同冷速的有铅温度曲线见图2-6。实验用两款回流炉的冷却原理是：冷却模块中有冷凝管和冷却风扇。冷凝管外接循环冷水。不同冷却速率主要通过冷却风扇和冷水温度各自的调节来实现。四种典型冷速的曲线参数如表2-6所示，和供给商参考曲线根本要求相符。其中A曲线为V3机型上风机翻开，冷水温度最低时获得水温4；C曲线为V3机型风机翻开，循环冷水关闭时获得；B曲线为V2机型上风机翻开，冷水