無鉛焊及焊接點的可靠性實驗

1、無鉛焊及焊接點的可靠性實驗(1、株式會社 力世科，東京都口野市日野本町1-15-17街1910011 ； 2、上海市虹橋路2328弄2號樓504室，200336)摘要：隨著電子裝置的小型化的發(fā)展，歐盟(eu.)的weee和rohs提出禁止使用sn-pb焊錫。這將導(dǎo)致一系列的工業(yè)革 新，如部件體積和重量的減少，各種各樣無鉛產(chǎn)品的出現(xiàn)，改變現(xiàn)有的焊接牛產(chǎn)線等。參照國際標(biāo)準(iec，iso)和日本國家標(biāo)準 (jis )，并根據(jù)這些標(biāo)準做了一系列的試驗，通過試驗對無鉛焊潤濕性、強度、耐久性等可靠性的評價方法進行說明。關(guān)鍵詞：無鉛焊，潤濕性，接觸角，耐久性中圖分類號：t605文獻標(biāo)識碼:a文章標(biāo)碼：10

2、04 - 4507 ( 2005) 12 - 0051-05手機、數(shù)字照相機、筆記本電腦等產(chǎn)品的小型化、輕量化發(fā)展的同吋，歐盟出臺了關(guān)于廢棄電氣電子儀器(weee : waste el ectrical and electronic equipment)法案及特定有害物質(zhì)的使用限制(rohs : restriction of the use of certain hazardous substances) 之規(guī)定。即，2006年7月1日之后，對在電子儀器及封裝業(yè)中，廣泛使用的，不可缺的sn- pb系列焊錫將全面禁止。為此，在電 子產(chǎn)業(yè)界，對封裝部件的小型化，無鉛焊錫的開發(fā)，生產(chǎn)線的變更等等技術(shù)

3、改造和變革將迫在眉睫。本文將依據(jù)國際標(biāo)準iec、iso、jis，通過實際測量結(jié)果，對無鉛焊的潤濕性、強度、耐久性等可靠性的評價方法進行說明。1各種標(biāo)準(無鉛焊相關(guān)的)對sn pb系列焊錫，我們有各種各樣的標(biāo)準。無鉛焊從定義、種類、組成等也有其對應(yīng)的iec、iso、jis等國際標(biāo)準，并正 在進一步完善。如各標(biāo)準對無鉛的定義(鉛的含量)、種類的一致性也還在進行調(diào)整，在日本國內(nèi)使用的jis標(biāo)準，于2004年3月 與iec標(biāo)準也進行了一致性的調(diào)整(例焊錫試驗方法(平衡法)jis c 0053->jis c 60068-2-54)。關(guān)于無鉛焊標(biāo)準，無鉛焊試驗方法第2部第7部(jis z3198-1

4、31987)在2003年6月被制定。具體為：無鉛焊試驗方法(jis z 3198-13198-7)第1部熔融溫度范圍測定方法第2部機械特性試驗方法-拉力試驗第3部擴散試驗第4部采用wetting balance法及接觸角法的潤濕性試驗方法第5部焊接處的拉斷及剪切試驗方法第6部qfp管腳焊接處45°拉斷試驗方法第7部集成部件焊接處剪切試驗本文，在無鉛焊潤濕性試驗中，采用的試驗方法是第4部及第5、6、7部的強度試驗測定方法。2 wetting balance法及測定實例2.1測定原理在各個標(biāo)準采用的試驗法中，將試件浸入到焊錫屮，試件周圍就會受到潤濕力f（見圖1）的作用。通過測量這個力，就

5、可以 對潤濕的速度、最大潤濕力等可靠性指標(biāo)進行評價。f= （ 7 cos6 l-vpg） 10-2 （1）7 :表面張力v:浸入體積0 :接觸角p :密度l:周圍長度g:重力加速度2.2評價方法一試件從焊錫上方任意位置浸入焊錫時，將會得到像圖2所示的潤濕性曲線。試件從液面浸入、將會受到方向向上的浮力（& >90°）作用，進一步潤濕（& <90°），試件周圍形成雙曲線凹面。相對于潤濕的速度而言，評價方法就是：測定試件與液面接觸 開始，到6 90。為止的時間（t0）及液面接觸開始到達最大的潤濕力的2/3處的時間（t1）。并且，求出試件從焊錫中拔出時的

6、潤 濕力（fend）和最大潤濕力（fmax）的比。當(dāng)比値fend/fmax0.8時，就可以斷定有潤濕現(xiàn)象發(fā)生。2.3評價方法二用wetting balance法進行試驗時，根據(jù)測試對象或目的的不同有多種方法，圖3是對表面封裝部件（smd）進行試驗后的評 價方法。焊錫小球法是根據(jù)標(biāo)準iec60068-2-69，jis c 6068-2-69，jei-ta7401而設(shè)計的試驗方法。具體的，在鋁塊上制作 焊錫小球，從而完成對浸入焊錫小球屮的部件的測試。階梯升溫法及急速加熱法是根據(jù)標(biāo)準eiaj et 7404而設(shè)計的試驗方法。以 焊錫膏作為測試對象，對其潤濕性進行評價。階梯升溫法是在試驗板上，先涂上焊

7、錫膏，smd浸入其中，焊錫膏的溫度變化和回 流焊的溫度變化一致的情況下，達到熔融狀態(tài)時，對其潤濕力進行測定；急速加熱法則是焊錫汙溫度在短!時問內(nèi)上升到熔融狀態(tài)時， 對其潤濕力進行測定的方法。2.4潤濕性試驗舉例圖4是各種焊錫潤濕性試驗的結(jié)果。在試件（脫磷酸銅10x30x0.3）、助焊劑、試驗條件一定的情況下，根據(jù)焊錫種類的不同， 將得到不同的試驗結(jié)果?？梢钥吹?，各結(jié)果的潤濕力兒乎都一樣，但過零時間（t0）的差別比較大。具體的，sn-37pb t0=ls，s n-0.7cu t0=3s，sn-3.5ag to = 1.6s，sn-3ag-2bi to = 1.4s。很明顯 sn-37pb 的潤濕

8、性最好。sn-0.7cu 的過零吋間大約是它 的3倍，潤濕性也就最差。sn-3.5ag和sn-3ag-2bi相比較，過零時i'可大體一樣，潤濕性也相近。因此，潤濕性優(yōu)劣的順序依次 是 sn-37pb sn-3ag-2bi，sn-3.5ag，sn-0.7cu。在以下的條件下，用焊錫小球法對部件0603c的潤濕性的測試結(jié)果見圖5測定部件:0603c焊錫：sn-3ag-o.5cu溫度：245°c焊錫球:el (5mg)浸入深度：0.05mm浸入速度：0.1mm/s對微小的snd部件，比如像尺寸在0603以下，管腳很小的部件，在測試吋，一般浸入深度設(shè)定在0.2mm以下，試件和小球 的

9、距離也要很好的控制。測定的潤濕力為0.25o.35mn。另外，在現(xiàn)有的各標(biāo)準中，snd部件的尺寸最小到1005c，1005r，而06 03以下的部件尙未被標(biāo)準化。圖6為根據(jù)標(biāo)準jis z3198-4中規(guī)定的試驗方法，對各種無鉛焊錫接觸角的測試結(jié)果舉例。具體的測試方法是，試件浸入焊 錫中后，對其周圍形成的內(nèi)圓角表面的反射進行測暈。試驗的試件、焊錫的種類、測量條件等勻圖4 一樣。（浸入時間為8s）測定 結(jié)果分別是 sn-37pb 39.6°，sn-0.7cu 52.3°sn 3.5ag0.5cu 49.7°，sn-3ag-2bi 49.6°。其順位與圖 4

10、潤濕力測定結(jié)果的順位 是致的°即* sn0.7cu的接觸角最大* sn-3.5ag，sn-3ag-2bi的接觸角人體一樣。另外，需要說明的是圖6所用的助焊劑分 別是非活性a和活性化的b。3焊接處強度試驗3.1 45°拉斷試驗圖7及圖8所示，是根據(jù)標(biāo)準jis z 3198-6的規(guī)定而設(shè)計的45°拉斷試驗方法。qfp試驗要求測試的項目是，最大拉斷力、 破斷位置（管腳處、焊錫處、局部）。圖9表示的是試驗中力的變化曲線，圖10是qfp ' sop等的測定結(jié)果。3.2集成部件焊接處強度試驗圖11所示是根據(jù)標(biāo)準jis z 3198-7而設(shè)計的對集成部件焊接處強度進行剪

11、切試驗的說明。焊接在基板上的集成部件，被先 端半徑為r0.25的推具推斷，從而得到了最大推斷力和破斷時的位罔（焊錫部、界面、部件部）。3.3耐久試驗基板的耐久試驗是分別根據(jù)標(biāo)準jis c60068-2-21 eiajrcx-0104/101中所規(guī)定：在一定的條件下，基板彎曲時，對其電 氣、機械性能的試驗方法：標(biāo)準eiaj et-7407中所規(guī)定：對csp bga封裝狀態(tài)下，多次彎曲時，對其電氣、機械性能的試驗 方法。圖12和圖13是管腳接合部的強度試驗舉例。貝-體的是確定有無破斷的地方；焊接種類不同結(jié)果有無影響；與形狀有關(guān)否等。 圖14是在試驗條件為：彎曲距離1mm，速度lmm/sec，彎曲次

12、數(shù)5 000次的情況下，試驗結(jié)果的照片，很明顯看到的是，焊錫種類 不同，破斷的地方亦不同。3.4 bga接合強度試驗圖15是bga接合強度試驗方法，圖16是測量中的照片。同前所述耐久試驗相同的試驗方法有兩種。第-種，極限彎曲試驗， 測定彎曲的距離和破斷個數(shù)。第二種，多次彎曲試驗，測定彎曲的次數(shù)和破斷個數(shù)。3.5其他測定例圖17是手機按鍵的耐久試驗，圖18是連接器拔插耐久試驗。手機、數(shù)字照相機等使用的與外部相連的連接器、插口以及sd 存儲器，微型識字卡，pc卡等，這些接插部分必須保證幾萬次的耐久次數(shù)。圖19是連接器端子部焊接合面的強度試驗，實驗條 件：速度lmm/s，作用力5.5kg，作用時間2s，試驗次數(shù)10 000次