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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,表面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Ag3Sn粗大而尖锐,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;
Abstract
ThelegislationtobantheuseofPb-basedsolderswillbecomeeffectiveim-mediately,whichprovideadrivingforceforenterprisestoacceleratePb-freeprocess.It’sfoundthatreflowsoldringplaysanimportantroleinSurfaceMount-ingTechnology,moreover,coolingrateinreflowsolderingprofileisgettingmoreandmoreattentionaftertheuseofhigh-melting-pointsolders.
ThemeltingpointofPb-freesoldersis30℃~40℃higherthanSn-Pbeutecticsolder.TheincreaseoftemperatureinreflowerbecomesachallengeofPrintCircuitBoard(PCB)andcomponents.Asaresult,theTimeAboveLiquid(TAL)ofsolderjointsbecomeslonger,therefore,fastcoolinginreflowsolderingisusedforcontrollingthePCBAtemperature,improvingthemicrostructureofjointsanddecreasingthethicknessofintermetalliccompound,consequently,highqualityproductscanbeobtained.
Howcoolingrateaffectsthequalityofsolderingjointsinlead-freeprocesswasstudiedinthispaper.Theexperimentswerebasedonpracticalindustrialproductionanditfocusedontheeffectofcoolingrateonmicrostructureandmechanicalproperties.
Whencooledat4~6℃/S,themicrostructureofjointswererefined,theIMCofAg3SnandCu6Sn5phasesdisperseineutecticnetworkinjointswhichpresentsphericalparticles.Thefractureofthesejointsaftertensilefailurepresentsdimplemode.Furthermore,thethicknessofIMCwasthinanditpresentgentleinclinemorphology.It
Keywords RflowSoldring;CoolingRate;Pulll;Push;
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第1章绪论
1.1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,不进则退。
所以各企业必须从无铅SMT的特性包括材料、工艺、设备以及DFM(DesignForManufacture)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[],供应商们仍在努力研究,相信更优性能更低成本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[];工艺方面,通过制程优化和精确的温度控制,缺陷已经大为减少,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、表面裂纹、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[、]:
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应时间,防止脆性的金属间化合物生长过厚,影响接头强度。
3)无铅焊点表面发黑,改变冷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的确定方法,为SMT生产组装焊接工艺提供数据参考,并作为设备开发的基本工艺依据。
1.2研究现状
1.2.1电子组装工艺
一款电子产品从构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,即达到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(ThroughHoleTechnology)。
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,发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,成本较低。
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。
相对于通孔焊接发展起来表面组装(SurfaceMountingTechnology)—即直接把元件的焊端或引脚贴装在PCB表面的焊盘上,以回流焊完成电气和机械连接。
表面组装是组装工艺中的具有革命性意义的进步。
由于相应的发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[]。
表面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(表面贴装元件)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表面进行保护[、]。
比如升温速率太快则助焊剂挥发剧烈,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,则可能形成短路;若加热时间不够,助焊剂在合金中有残留而不能完全以气体逸出则产生气孔;若助焊剂过早挥发掉,则可能出现润湿不良,钎料在焊盘表面不铺展等等,这些都是可能造成整块电路板失效的因素[]。
1.2.2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30~40℃左右。
而钎焊峰值温度须高出熔点20~40℃才能保证钎料的良好润湿,这使得无铅化后钎焊峰值温度达到250℃左右(表1-1)。
表1-1Sn-Pb钎料与无铅钎料熔点及钎焊峰值温度比较[]
焊膏
熔点
钎焊峰值温度范围
Sn-37Pb
183℃
208~235℃
Sn-3.5Ag
221℃
242~262℃
Sn-3.0Ag-0.5Cu
217~219℃
242~262℃
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。
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,最主要的变化体现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较[]
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[]
品牌
SENJU
GENMA
INDIUM
ALPHLA
成分
SAC305
SAC305
SAC305
SAC305
预热升温
1-3℃/S
1-4℃/S
2-4℃/S
1-3℃/S
预热温度
120-170℃
150-180℃
150-200℃
150-170℃
预热时间
100-120S
60-90S
60-120S
60-90S
回流升温
1-3℃/S
1-3℃/S
――
――
220℃上时间
30S
30S
20-40S
――
峰值温度
230℃
230-250℃
230-240℃
240℃
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有铅回流焊工艺相比,有以下不同[、、]:
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8~10℃。
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。
1.2.3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1-2(a),F.Ochoa等人研究了Sn-Ag系在各种冷却条件下的微观组织[]。
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1-2(b)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沉淀物应该被避免,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1-2Sn-3.5Ag扫描照片
K.S.Kim等人研究表明,对于Sn-Ag-Cu系铸造态合金,冷却速率的影响与Sn-Ag系类似[]。
主要是快冷时枝状晶间距减小,晶粒尺寸减小。
而慢冷由于反应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η-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η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,反应和扩散也增强,所以冷速降低出现IMC厚度增加[]。
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[]。
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。
Yang[]等人的研究结果也表明冷速的增加提高屈服强度、剪切强度。
Kim等人的实验也表明Sn-Ag-Cu系钎料合金冷速增加时拉伸强度增加[12]。
表1-3两种冷却方式引起的强度变化对比[14]
Sample
Process
YS(MPa)
UTS(MPa)
Sn-3.5Ag
WaterQuench
24
28
AirCooling
19
28
Sn-3.2Ag-0.8Cu
WaterQuench
28
32
AirCooling
20
30
Sn-3.0Ag-0.5Cu
WaterQuench
30
33
AirCooling
25
27
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则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[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等人的研究表明冷速的增加使试件抗蠕变性能增加[]。
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,结果表明变形过程的主导机制并非晶界滑移。
对比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,但差别在于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[]。
可以说Pb和Ag3Sn本身的性质决定了合金的主导变形机制,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[]。
Sn-37PbSn-0.7CuSn-3.8Ag-0.1CuSn-3.0Ag-0.5Cu
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佳冷却速率。
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间距的QFP,0.5间距的连接器,1.0×0.5mm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100°C/s),(b)在炉中慢冷(0.02°C/s)。
如图1-6(a)所示,形成很细的β–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1-6(b),慢冷形成的微观组织粗大,又因为Ag3Sn或Cu6Sn5呈先共晶相出现,生长形态不规则且尺寸偏大,失去了弥散强化效果,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对比[]
VitronicsSoltec公司的UrsulaMarquez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部分,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[]。
表1-4冷却速率对回流工艺参数的影响
速率范围
TAL范围
ΔT
快冷
2.9C/S
60Sec
7.2℃
3.9C/S
43Sec
慢冷
1.2C/S
68Sec
6.7℃
1.9C/S
55Sec
UrsulaMarquez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已经属于快冷之列。
如图1-7(b)所示,快冷时化合物厚度明显减小,且没有如图1-7(a)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,测试结果也表明:
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[]。
(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
1.3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对比。
确定所选定的钎料焊接获得焊点高可靠性的最佳冷却速率。
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,获得最佳冷却效果。
双击上一行的“1”“2”试试,J(本行不会被打印,请自行删除)
第2章不同冷速的无铅焊接工艺实验
2.1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。
2.2试验条件
2.2.1试验材料
1.电路板
采用FR-4单面刚性板。
Tg=140℃,焊板上有片式元件焊点共130个,如图2-1示。
电路板焊盘采用镀锡工艺,镀层厚度为50μm。
PCB板在焊膏印刷前用酒精进行清洗,去除表面杂质污物。
图2-1实验用组装板
2.表面贴装元件
采用三种型号片式电阻元件:
R2012、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2-2QFP封装试件示意图及封装尺寸
表2-1QFP封装尺寸[]
封装
尺寸
A1
A2
D
E
F
G
L
b
C
D1
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