开发高性能无铅波峰焊料合金的重点

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.开发高性能能无铅波波峰焊料料合金的的重点在开发高性性能无铅铅波峰焊焊料合金金时，研研究人员员必须评评估四项项主要特特性：工工艺良率率、铜浸浸出率、浮浮渣形成成和热机械可可靠性。 波峰焊是电子工业中许多领域的关键工序，转移使用无铅生产蕴藏着一些成本因素，其中之一是焊料合金的成本和性能，单单使用锡铜合金就会让用户的合金成本增加一倍以上，而且由于其工艺良率不佳，所以会造成更大的影响。与锡铅合金相比，目前可用的锡银铜(SAC) 合金将使合金成本提高三倍以上，但是通常

2、在工艺良率方面比锡铜系列好得多。许多任务厂就因为这个理由而选择了较贵的合金，因为工艺性能与企业的周功和生存息息相关。这个选择造成的两难境况已成为开发新合金系列的推动力，激励业界开发一种既能实现谆工艺良率、又不如SAC合金系列那么昂贵的新型合金。选择合金 无铅波峰焊接工艺现在处于早期开发阶段，据估计，目前使用无铅合金的波峰焊槽不足5在开发高性能无铅焊料合金时，研究人员必须评估主要特性，以及什么材料变量会构成这些特性(表1)。表1 影影响波峰峰焊接工工艺良率率的材料料变量 锡银银铜(SACC)可为为波峰焊焊接过程程提供最最好的工工艺良率率，而且且许多用用户信赖赖SACC的良好好可靠性性。目前前这是

3、最最受欢迎迎的波峰峰焊料合合金系，但但是3 的的银含量量使其单单位材料料成本比比较高。 锡铜共晶合金的成本低于SAC合金，但基本铜锡合金及其改性变种的工艺良率一贯比不上SAC合金。 因此，在研发新合金的配方设计时，必须同时提供较低的单位材料成本，以及相当的工艺良率、设备兼容性、组件与电路板兼容性和可靠性。工艺性能要求 研发新合金的配方时需要满足的工艺性能包括： 1.固相线液相线温度：层压电路板和组件受最高工作温度所限，如果高于这个温度，电路板和组件就会损坏。该项数据表明，每个合金系列在这些温度约束范围和工艺窗口内的适用性； 2.粉末合金的机械特性：这包括硬度、最大载荷应力和延伸率。这些特性综合

4、起来表明焊点的机械强度： 3.润湿速度：润湿平衡试验通常用来测量组件。可焊性并且作为开发和试验助焊剂的辅助工具，但是只要保持试验变量不变，就能把润湿试验当作衡量合金性能的一个相对尺度：润湿速度较快可以缩短焊料的接触时间，从而加快生产速度并减少电路板铜覆层的溶解。 4.铜溶解速率：PCB的铜覆层以这个速度溶入波峰焊接槽，这是无铅工艺的一个很重要的问题，特别是在使用Cu OSP焊盘表面处理的情况下更为突出。过去SnPb焊接过程中，铜溶解浓度达到0.3左右，焊槽便达到了平衡点。在无铅焊接过程中，由于锡槽温度和锡含量较高而加速铜的溶解。铜浓度上升使液线温度提高因此不得不提高锡槽温度，才能保证温度高于液

5、相线(以保持工艺良率)。然而，这样做又会加快铜溶解，从而造成恶性循环。因此，必须适当控制焊槽中的铜含量,以保证工艺良率。工艺良率所所有专业业生产人人员都知知道，材材料成本本与材料料对工艺艺良率的的影响相相比几乎乎算不了了什么，工工艺良率率一旦发发生跳变变，就会会对生产产线的盈盈利能力力造成非非常严重重的影响响，合约约式的电电子制造造商(CCEM)对此感感受尤深深。表2湿润平平衡试验验结果表3 铜铜溶解速速率 在在波峰焊焊接过程程中，焊焊接缺陷陷数量与与助焊剂剂、合金金、合金金纯度、PPCB组件表表面处理理、PCCB设计计布局以以及环境境和工艺艺设置之之间存在在原有的的内在关关联。在在向无铅铅波

6、峰焊焊过渡的的过程中中，我们们正在转转向一个个逐渐缩缩小的工工艺窗口口， 因此，工工艺技术术人员的的重要任任务之一一是扩展展工艺窗窗口，使使工艺过过程能够够获得令令人满意意的结果果(输出出)，同同时最大大限度地地减小成成本的影影响(输输入)。 如上所述，合金的某些主要特性对波峰焊接效果有着显着的影响。润湿速度较慢和流动性较差，可能转化成漏焊或局部润湿缺陷的增多。漏焊在在线测试(ICT) 或功能验证测试(FVT)中可能未被发现，因为引线末端与PCB焊盘之间可能存在断续的电接触。 锡桥会对电路的功能性造成恒久的影响，不过用人工或自动检验方法都能容易地检测出来。在目前大部分无铅制造工艺中都发现了锡桥

7、缺陷增加，而且主要是由于合金表面张力较大，造成焊点回流不良。这两种严重缺陷 (锡桥和漏焊)的自然补救方法是减慢焊接传输速度和提高锡槽和预热温度。减慢传输速度确实增加合金润湿焊点的机会，却减慢了生产速度并会增加软熔顶面组件的可能性，因此这样做有可能损坏焊点。 提高锡槽温度显然会增加合金的流动性，从而改进回流和减少锡桥。但是这种作法也有缺点：增加层压电路板和组件受损与二次回流的机会，并提高铜溶解率和浮渣形成速率。合金浮渣对波峰焊接过程的经济性造成很大的影响，虽说重要性比不上工艺良率，但是增加合金成本使浮渣问题变得比以前更为重要，因此，设法减小成渣率成为每个工程师注意的焦点。 合金配方设计将影响合金

8、的固有成渣率(drossing)。有6个易变因素影响成渣率：温度、搅动、周围空气、合金纯度、合金调制和浮渣还原剂。 就合金纯度而言，铝、锌和镉含量高到50ppm会造成过多的浮渣。未经搀杂的纯净原材料多半含有过量的悬浮氧化物，在合金熔融过程中通过多级化学处理对合金加以调制，可以去除这些悬浮氧化物。成渣形式也很重要，许多合金生成的浮渣饱含金属，这种情况并不理想，因为在焊槽除渣过程中浮渣把有用的金属都除去了。现时市面上有各种各样的浮渣还原剂，按50至100ppm左右的量添加于波峰焊料合金，可以使浮渣奇迹般地变成千粉，这样，除渣时便能够避免把有用的合金带出去。润湿速度是波峰焊的一个重要因素，许多研究表

9、明，在以排除氧气的方式减小成渣率的同时，局部气体惰性化可以大大增加润湿速度，这个选择方案可以代替提高锡槽温度。使用可靠性性 PCCB无铅铅组装过过渡引发发了无铅铅合金焊焊点在使使用中是是否可靠靠的问题题。对渴渴望在质质量和可可靠性上上保持良良好的声声誉的OOEM来来说，这这种担心心是合理理的。在在这个项项目下，试试验分两两个阶段段进行，第第一是评评估焊点点的强度度，比如如用力把把组件从从电路板板上拉下下来并测测量拉断断所需要要的力量量。第二二是进行行热循环环加速寿寿命试验验。根据据PCBB的最终终用途，采采用不同同的热循循环曲线线，其温温度从某某些消费费电子产产品可接接受的00至800，以至至

10、使用在在恶劣环环境(如如机罩或或引擎罩罩下)的的电子设设备要求求的-440至1165，变化化范围不不等。为为新合金金选择的的热循环环曲线介介于上述述条件之之间-440至1125，变化化斜率2 00miin，且且在上下下限温度度各保温温10分分钟表4浮渣试试验结果果表5工艺良良率实验验结果 试验验电路板板是从工工艺良率率实验中中选择的的，它们们由带有有Cu 0SPP焊盘表表面处理理的FRR4电路路板组成成。被检检测的组组件全部部是表面面贴装片片式电阻阻，选择择它们而而非S00IC组组件的原原因是：设想片片式电阻阻焊点的的抗拉强强度大于于件上的的鸥翼形形引线。每每块电路路板上共共有12200只只一

11、流的的链串接接组件，每每串500只，共共形成224个电电路。试验设计和和结果 上表22至5是是对四款款合金系系统：SSAC3305、SSn999.3Cu 0.77、改性性Sn999.33Cuu0.77(SnnCuuNii)以及及 Saacx003077进行的的研究，评评估无铅铅焊接工工艺的四四个主要要特性：工艺良良率、铜铜浸出率率、浮渣渣形成和和热机机械可靠靠性。 波峰焊焊实验使使用了测测试电路路板(专专门设计计较复杂杂，以区区分不同同加工条条件下的的差异)、三种种助焊剂剂(包括括水基和和醇基配配方)和和两种电电路板表表面处理理(铜00SP和和浸银处处理)。 试验电路板是从工艺良率实验中选择的

12、，它们由带有Cu 0SP焊盘表面处理的FR4电路板组成。被检测的组件全部是表面贴装片式电阻，选择它们而非SOIC组件的原因是：设想片式电阻焊点的抗拉强度大于SOIC组件上的鸥翼形引线。每块电路板上共有l200只一流的链串接组件，每串50只，共形成24个电路。 表5实验结果按缺陷发生率最低到最高的次序排列，缺陷总数指5块板的缺陷总数；相对一列表示与最佳性能组合之差的百分比。试验板在设计上考虑到了区分不同的配置而且在这个方面很奏效。根据结果数据可得出如下论点： 1.研发合金ALPHA Vaculoy SACK0307性能优于改性Sn99.3Cu0.7(SnCuNi)和标准Sn99.3Cu0.7合金

13、。 2.就缺陷总数而论，ALPHA SACx0307、EF4l02助焊剂和ImAg电路板涂覆剂组合排名第二，缺陷总数仅比最佳组合SAC305、EF4102助焊剂和ImAg电路板涂覆剂多7。表现最好的SnCu合金是改性Sn99.3Cu0.7(SnCuNi)，但是它与EF4102助焊剂和ImAg表面处理组合实验时，缺陷总数比最佳组合高出61。 3. 改性Sn99.3CuO.7(SnCuNi)优于标准 mn99.3Cu0.7。 简言之，在工艺良率评价中，研发合金 ALPHAVaculoy SACX0307几乎可与SAC305合金媲美。结语 无铅波峰焊已经发展为两个主要的合金体系：SnkgCu(锡银铜

14、) 体系(通常含银量达3至4)和基于SnCu(锡铜)共晶体系。如果按照用户的价值方程式来衡量，二者都存在固有的缺陷。 含银3至4的SnAgCu体系可提供良好的可靠生和工艺良率，但原材料的成本昂贵。作为替代品的SnCu共晶体系及其改性合金(SnCuNi) 的原材料成本楚低，但其工艺良率和焊接可靠性存在问题。为了克服现有焊料体系的缺点，确信电子开发出新型焊料合金SACX0307。SACX0307波峰焊料合金的性能与SAC305相似，但远远优于Sn99.3Cu 0.7合金系，且原材料成本低于SAC305。主要量度标准： 1.润湿速度高于Sn99.3Cu0.7合金系，使之在上述试验和后来进行的现场试验中表现出很好的焊接效果。 2.铜溶解速率低于Sn99.3Cu0.7合金系和SAC305。 3.工艺良率与SAC305不相上下，胜过Sn99.3Cu0.7合金系。 4.浮渣率与其它无铅合金相当。 5.焊点机械强度高于Sn99.3Cu0.7合金系和 SAC305。 6.可靠性等同于Sn99.3CuO.7合金系和SAC305(试验仍在进行之中)。 试验结果说明，SACX0307无铅合金将提供较低的总生产成本，因此能够满足