| 環(huán)保焊接的材料與工藝問題 |
| 目前很多國家都在積極立法限制鉛的使用以保護(hù)環(huán)境，這也推動(dòng)了無鉛電子組裝的應(yīng)用。但各種新型合金的整合性和可靠性問題現(xiàn)在仍沒有徹底解決，到底應(yīng)選擇何種合金已迫在眉睫。本文對Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu合金進(jìn)行研究，比較這些合金的可靠性試驗(yàn)結(jié)果和工藝上的一些問題。
無鉛替代方案中現(xiàn)在提得較多的是用銀或銅代替焊料中的鉛，因此我們下面主要對錫與這幾種金屬組合所形成的合金進(jìn)行討論。
Sn/Ag合金
Sn/Ag3.5～4.0在厚膜電路和電子裝配中有著悠久的歷史，因此業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為用Sn/Ag焊料作為Sn/Pb替代品應(yīng)該很方便，但是這種材料卻有幾個(gè)問題。首先，該焊料的熔點(diǎn)(221℃)和回流焊峰值溫度(240℃～260℃)相對于許多表面安裝器件和工藝來說都太高；其次，它里面含有3.5%～4%的銀，將會(huì)因成本過高而在某些領(lǐng)域受到限制；第三也是*重要的一點(diǎn)，這種焊料因?yàn)殂y相變化而無法通過可靠性試驗(yàn)，這主要是由于合金內(nèi)不同區(qū)域冷卻速率不同而造成。
為了深入研究這種焊料，我們將一條Sn96/Ag4錫塊進(jìn)行回流并從底部強(qiáng)制冷卻，然后檢查它在不同冷卻速率下的微觀結(jié)構(gòu)。如圖1所示，Sn96/Ag4合金由于冷卻速率不同而有三種金相結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)缺陷與焊點(diǎn)上發(fā)生的情況很類似，可能引起現(xiàn)場失效。正是由于這個(gè)緣故，多數(shù)OEM廠商和工業(yè)組織都反對采用Sn/Ag作為主要的無鉛焊料，銀的相變問題還引起人們對含銀量高的Sn/Ag/Cu合金的擔(dān)心。
Sn/Ag/Cu合金
盡管存在**方面的問題，世界上多數(shù)國家還是主張使用Sn/Ag/Cu系列合金，但是應(yīng)選擇什么樣的比例呢？本文重點(diǎn)研究其中兩種，即一些業(yè)界組織關(guān)注的Sn/Ag4/Cu0.5以及低含銀量對照合金Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。
在分析這兩種合金的可靠性試驗(yàn)結(jié)果之前，可以先從經(jīng)驗(yàn)上對它們做一個(gè)比較?？傮w來講，它們非常相似，都有很好的疲勞特性、優(yōu)良的整體焊接強(qiáng)度和豐富的材料供貨源，但也有些細(xì)微的差別值得進(jìn)行討論。
◆熔點(diǎn) 兩種合金的熔點(diǎn)很接近：Sn/Ag4/Cu0.5是218℃，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5是217℃。雖然熔點(diǎn)對現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有無影響還有待商榷，但如果能夠嚴(yán)格控制回流焊工藝，熔點(diǎn)溫度降低對于減少元件在高溫下的停留時(shí)間將會(huì)有積極影響。
◆濕潤性 在比較這兩種合金時(shí)，有必要先問一下為什么要選擇一種含銀量高的合金，因?yàn)檫@會(huì)增加成本。一些人認(rèn)為含銀量高的合金有助于提高濕潤性，但是濕潤試驗(yàn)(圖2)表明，含銀量低的合金實(shí)際上比含銀量高的合金濕潤性更強(qiáng)。
◆**狀況 業(yè)界希望能找到一種可以廣泛使用的合金，所以不會(huì)考慮有**保護(hù)的類型。盡管Sn/Ag4/Cu0.5沒有**保護(hù)，而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已注冊了**，但還是應(yīng)該用更為慎重的觀點(diǎn)來看待**的影響以及這些合金供應(yīng)渠道的真實(shí)數(shù)量。
如上所述，Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已注冊了**，不過它已被許可轉(zhuǎn)讓給了眾多焊料制造商且沒有數(shù)量上的限制，同時(shí)無需初始費(fèi)用。Sn/Ag4/Cu0.5沒有注冊**，但用這種焊料的用戶應(yīng)該知道，該合金所形成的焊點(diǎn)卻可能申請了**，美國法律允許銷售這種產(chǎn)品的電子級焊料制造商數(shù)量是極其有限的。
雖然Sn/Ag4/Cu0.5所形成的焊點(diǎn)可能會(huì)違反現(xiàn)有**，業(yè)界還是推薦使用這類合金，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為這種工藝過去就已經(jīng)存在，所以不應(yīng)再受**的保護(hù)。但這是錯(cuò)的，因?yàn)槎鄶?shù)**既包括合金組分又包括應(yīng)用(焊點(diǎn))。換言之，如果能證明以前就有這樣的工藝，那么合金成分可能就不會(huì)受**保護(hù)；但是如果**寫得比較詳細(xì)(包括了應(yīng)用部分)，那么該工藝就必須要面對受到**保護(hù)的焊接過程。從根本上講，這意味著制造商使用的即使是**范圍之外的合金(如Sn/Ag4/Cu0.5)，但如果在制造期間焊料“吸收”了其中某種金屬(通常為Cu)，形成含有**保護(hù)成分的金屬互化物，那么制造商就會(huì)因違反**而可能會(huì)引起法律訴訟。
◆金屬成本 高銀含量(銀的數(shù)量在3.5%～7.7%之間)會(huì)使合金成本很高，在填充波峰焊機(jī)的錫槽時(shí)，銀含量每上升1%將使每公斤成本增加1.45美元。為減少開支，有人建議在波峰焊中使用不含銀的無鉛焊料，而將含銀合金僅用于表面安裝組件。下面會(huì)討論到，這將因Sn/Cu缺陷以及雙合金工藝而可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
Sn/Cu合金
盡管Sn/Cu合金可以節(jié)約一部分成本，但它也有幾個(gè)問題必須要考慮。首先，這種合金的熔點(diǎn)是227℃，因此在許多溫度敏感場合其應(yīng)用會(huì)受到限制；其次，各種情況證明，與其它無鉛焊料相比這種合金濕潤性較差，在很多時(shí)候要求使用氮?dú)夂突罨潭雀叩闹竸?，并可能引起與濕潤有關(guān)的問題；第三，Sn/Cu的毛細(xì)作用力很低，難于吸入PTH的孔中，同時(shí)它缺乏表面安裝組件所需要的抗疲勞性；*后，這種合金很差的疲勞特性會(huì)引起現(xiàn)場失效，完全抵消因低廉的價(jià)格所帶來的初期成本節(jié)約。
雙合金工藝
還應(yīng)該指出的是，除了Sn/Cu本身的缺點(diǎn)之外，在組裝中應(yīng)用兩種焊料合金(如SMT用Sn/Ag/Cu而波峰焊用Sn/Cu)也會(huì)產(chǎn)生問題。*好不要將Sn/Ag/Cu和Sn/Cu混雜使用，因?yàn)檫@會(huì)引起焊點(diǎn)合金不均勻，出現(xiàn)這種情況后，焊點(diǎn)可能因無法釋放應(yīng)力和應(yīng)變而容易受疲勞失效的影響。正是由于這種潛在的混雜問題，雙合金工藝的修復(fù)或修整也需要準(zhǔn)備兩種合金，并且還要有特別操作說明和監(jiān)督，才不致于使合金混雜。但遺憾的是不管管理得有多好，操作人員總是喜歡用*容易使用的焊料，即流動(dòng)性*好并且熔點(diǎn)溫度較低的合金，所以許多焊點(diǎn)都可能用Sn/Ag/Cu進(jìn)行修補(bǔ)，即使這些原先是用Sn/Cu裝配。這好比是免洗和RA芯焊錫絲并用的情況，如果它們都放在生產(chǎn)線上，RA經(jīng)常會(huì)被濫用，原因很簡單，就是因?yàn)樗菀子?。所以從根本上來講，雙合金組裝工藝會(huì)引起可靠性問題，且很難進(jìn)行管理。
焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)
為了分析Sn/Cu和Sn/Ag/Cu合金的可靠性，對它們分別進(jìn)行熱和機(jī)械疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如下。
◆熱循環(huán)試驗(yàn) 在一塊試驗(yàn)板上用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5焊接1206薄膜電阻，然后將試驗(yàn)板在-40℃～+125℃之間分別進(jìn)行300、400和500次15分鐘熱沖擊試驗(yàn)，完成之后對焊點(diǎn)進(jìn)行截面分析，檢查有無裂縫。
試驗(yàn)后的檢驗(yàn)表明，Sn/Cu合金由于濕潤性差(圖3)而會(huì)使焊點(diǎn)出現(xiàn)裂縫，Sn/Cu形狀完好的焊點(diǎn)在第三組試驗(yàn)板循環(huán)到500次時(shí)也出現(xiàn)了裂縫。
有意思的是，Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5(圖4)合金在試驗(yàn)到500次時(shí)沒有出現(xiàn)任何裂縫，這表明Sn/Ag/Cu與Sn/Cu相比具有非常優(yōu)良的抗熱疲勞性。但是從圖4也可以明顯地看到，Sn/Ag4/Cu0.5合金在熱循環(huán)后整個(gè)焊點(diǎn)的晶狀結(jié)構(gòu)確實(shí)也出現(xiàn)了一些變化。
◆機(jī)械強(qiáng)度-彎曲試驗(yàn) 用同樣的試驗(yàn)板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，可以看出Sn/Cu0.7(圖5)制成的焊點(diǎn)在彎曲試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)裂縫，表明焊點(diǎn)不能承受較大的機(jī)械應(yīng)力。相反，Sn/Ag4/Cu0.5和n/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5形成的焊點(diǎn)則全部都通過了彎曲試驗(yàn)要求。
新型方案
為緩解電子業(yè)界對無鉛焊接的擔(dān)心，Consultech International公司半導(dǎo)體獨(dú)立咨詢顧問Bance Hom開發(fā)了一種**無鉛組裝新方案。她采用不光滑的Sn/Pb引腳鍍層(QFP 208 IC)、涂有機(jī)表面保護(hù)劑的PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏，做出全無鉛組裝件同時(shí)并沒有大幅增加復(fù)雜性和費(fèi)用。她成功的關(guān)鍵在于組件的回流焊峰值溫度為234℃，應(yīng)該指出的是，這些組件是在惰性氣體下進(jìn)行加工的。當(dāng)然，并不是所有組件都能在上述環(huán)境下組裝，因?yàn)樵膩碓磫栴}以及不可能在所有組件上都達(dá)到234℃峰值溫度(由于元件質(zhì)量、夾具等會(huì)引起ΔT不同)，但重要的是，在有些情況下應(yīng)用某些材料還是能很容易地實(shí)現(xiàn)無鉛焊接。 |
公安機(jī)關(guān)備案號：
