鉛電子裝配的材料及工藝考慮(1)

1、鉛電子裝配的材料及工藝考慮伴隨歐洲電子電氣設(shè)備指導(dǎo)法令宣布到20XX年部分含鉛電子設(shè)備的生產(chǎn)和進(jìn)口在歐盟將屬非法，以及國(guó)外同業(yè)競(jìng) 爭(zhēng)者在全球不斷推廣無鉛電子裝配，相伴而生的對(duì)各種合金 混合物的完好性和可靠性等問題的考慮越來越受到重視。簡(jiǎn) 言之，到底選用哪種合金，這一問題變得越來越緊要。本文 將對(duì)Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu等三種合金做深入考察，并 對(duì)其可靠性試驗(yàn)結(jié)果與工藝上的考慮進(jìn)行比較。Sn/Ag合金Sn/合金在混合電路與電子組裝工業(yè)的使用時(shí)間較長(zhǎng)。 正因如此，部分業(yè)者對(duì)使用Sn/Ag作為一種無鉛替代合金感覺得心應(yīng)手。但不巧的是這種合金存在幾方面的問題。首先 這種合金的熔融溫度和

2、峰值回流溫度對(duì)于許多表面安裝部 件和過程來說顯得偏高。此外，這種合金還含有的銀，對(duì)某些應(yīng)用構(gòu)成成本制約。而最主要的問題是這種合金會(huì)產(chǎn)生 銀相變問題從而造成可靠性試驗(yàn)失效。我們注意到，在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，Sn96/Ag4在其中一種 循環(huán)設(shè)置上產(chǎn)生了失效。對(duì)此問題作進(jìn)一步研究得出的結(jié)論 是：失效起因于相變。相變的產(chǎn)生是因合金的不同區(qū)有著不 同的冷卻速率而致。為對(duì)此問題進(jìn)行深入研究，用一根Sn96/Ag4焊條，從底部對(duì)其進(jìn)行回流加熱及強(qiáng)制冷卻，以便對(duì)其暴露在不同冷 卻速率下的合金的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。Sn96/Ag4合金按冷卻速率的不同產(chǎn)生三種不同的相。由此考慮同樣的脆性結(jié)構(gòu)會(huì)存 在于焊接互連中，從而造成

3、焊區(qū)失效。正是由于這種原因， 大多數(shù)OEM及工業(yè)財(cái)團(tuán)反對(duì)把 Sn/Ag作為主流無鉛合金來 用。銀相變問題的存在也對(duì)高銀Sn/Ag/Cu合金提出了質(zhì)問。Sn/Ag/Cu 合金盡管涉及專利保護(hù)方面的問題，世界大部分地區(qū)還是傾 向選用Sn/Ag/Cu合金。但到底選擇什么樣的合金配方本文 將重點(diǎn)討論兩種Sn/Ag/Cu合金：受各種工業(yè)財(cái)團(tuán)推崇的Sn/Ag/合金和相應(yīng)的用作低銀含量合金的Sn/。兩種Sn/Ag/Cu合金的比較在討論兩種合金體系的可靠性試驗(yàn)結(jié)果之前，先憑經(jīng)驗(yàn) 對(duì)兩種合金作一比較是有益的。大體上看兩種合金很相似： 兩者都具有極好的抗疲勞特性、良好的整體焊點(diǎn)連接強(qiáng)度以 及充足的基礎(chǔ)材料供應(yīng)。但

4、兩者之間確也存在一些細(xì)微的差 異值得討論。熔點(diǎn)兩合金的熔點(diǎn)極為相似：Sn/Ag4/熔點(diǎn)為218度，Sn/熔點(diǎn)為217度。業(yè)界對(duì)這種差異是否構(gòu)成對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響 存在爭(zhēng)議。但如能對(duì)回流過程嚴(yán)格控制，熔點(diǎn)溫度變低會(huì)因 減少元件耐受高溫的時(shí)間而帶來益處。潤(rùn)濕兩種合金比較，自然地會(huì)對(duì)選擇高銀含量合金的做法抱 有疑問，因?yàn)殂y含量變高會(huì)增加產(chǎn)品成本。有臆測(cè)認(rèn)為高銀 合金有助于改進(jìn)潤(rùn)濕。但潤(rùn)濕試驗(yàn)結(jié)果顯示，低銀含量合金 實(shí)際上比高銀合金潤(rùn)濕更強(qiáng)健和更迅速。專利態(tài)勢(shì)工業(yè)界渴望找到一種廣泛可獲的合金。因此，專利合金 是不大受歡迎的。盡管Sn/Ag4/合金沒有申請(qǐng)專利，而Sn/ 已申請(qǐng)了專利，但選擇時(shí)需要全面了解

5、兩種合金的專利約束 作用和實(shí)際供應(yīng)源情況才好確定。上面已談到，Sn/合金已獲專利。但它已授權(quán)給焊料 制造商使用，對(duì)授權(quán)使用者無數(shù)量限制和無轉(zhuǎn)讓費(fèi)用。目前，這一合金可通過北美、日本和歐洲的數(shù)家焊料廠商在全球范 圍內(nèi)獲取。盡管 Sn/Ag4/合金沒有申請(qǐng)專利，但用這種合金 制成的焊點(diǎn)連接是有專利的，而在美國(guó)具有這種產(chǎn)品銷售授 權(quán)的電子級(jí)焊料廠商的數(shù)量極為有限。盡管用Sn/Ag4/制作的焊點(diǎn)有可能侵犯現(xiàn)有的專利權(quán)， 但業(yè)界還是建議使用這種合金。人們?cè)傧氲卣J(rèn)為，通過給 這種系統(tǒng)施加預(yù)先工藝可以避開專利糾紛。但這種想法是錯(cuò) 誤的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的專利說明都會(huì)涉及合金成份和應(yīng)用范圍 兩部分內(nèi)容。換句話說，如

6、果預(yù)先工藝能夠得到證實(shí)，突破 專利的合金成份限制是可能的。但如果專利說明做得很完善，那么還需向聲明了電子裝配焊接特定用法的應(yīng)用部分進(jìn) 行挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，這意味著即使制造商正在使用一種專利 規(guī)定范圍以外的合金，但如果在制造過程中，此合金"偶獲"基礎(chǔ)金屬成分并因而形成一種含有專利規(guī)定范圍內(nèi)的成份 構(gòu)成的金屬間化合物的話，那么該制造商就會(huì)因侵犯了專利 權(quán)而受到法律的裁決。金屬成本專利載明的銀含量范圍為 %-%如此高的銀含量使得焊 料的大量使用變得成本高昂；裝填波峰焊鍋時(shí)，每1%勺銀大約使成本增加美元/磅。為控制成本，有人建議在波峰焊應(yīng) 用中使用不含銀的無鉛合金，在表面安裝應(yīng)用中使

7、用含銀合 金。但正如下面所要討論的，使用這種方法會(huì)因Sn/Cu和雙合金工藝存在不足而造成失效。Sn/Cu的工藝缺陷遏制成本的想法雖說合情合理，但引用Sn/Cu需要考慮幾方面的因素。第一，此合金的熔融溫度為227度，使其在許多溫度敏感應(yīng)用上受限。此外，它比其它無鉛焊料的濕潤(rùn) 性差，在許多應(yīng)用中需引入氮和強(qiáng)活性助焊劑并可造成與潤(rùn) 濕相關(guān)的缺陷，這點(diǎn)已得到廣泛證明。 還有，一般來講Sn/Cu 表面張力作用較低，在實(shí)施 PTH技術(shù)時(shí)容易進(jìn)入套孔中，且 缺乏表面安裝裝配過程所要求的耐疲勞強(qiáng)度。最后一點(diǎn)，該 合金的耐疲勞特性差，可導(dǎo)致焊區(qū)失效，從而抵銷了節(jié)省成本的初衷。雙合金裝配還應(yīng)注意的是，除 Sn/C

8、u引起相關(guān)問題外，使用雙焊料 合金也存在問題。Sn/Ag/Cu、Sn/Cu混用不宜提倡，因?yàn)檫@ 會(huì)造成合金焊點(diǎn)連接的不均勻性。如果這一情形出現(xiàn)，那么 制成的焊點(diǎn)會(huì)因不能消除應(yīng)力和應(yīng)變而易產(chǎn)生疲勞失效。由 于存在這些潛在的混用問題，因此在進(jìn)行修復(fù)或修補(bǔ)時(shí)就需 要開列兩種合金的存貨清單，并給出具體的指令進(jìn)行監(jiān)控， 以使兩合金不發(fā)生混用。然而，經(jīng)驗(yàn)顯示，不論對(duì)這種情形 監(jiān)控得多好，操作員都會(huì)趨向使用易用性最好也即流動(dòng)性最 好且熔融溫度較低的焊料。因此，盡管焊點(diǎn)最初由Sn/Cu來裝配，但大量修補(bǔ)工作可能會(huì)用Sn/Ag/Cu合金來完成。如果兩種產(chǎn)品都在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用，那么RA會(huì)常用到，不只是好用的問題。雙

9、合金裝配工藝的要害問題是會(huì)導(dǎo)致潛在的可 靠性失效且很難對(duì)此進(jìn)行有效地監(jiān)控。焊點(diǎn)連接的可靠性試驗(yàn)為分析Sn/Ag/Cu和Sn/Cu的可靠性，對(duì)它們進(jìn)行各種 熱和機(jī)械疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)描述和試驗(yàn)結(jié)果如下：熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試板用Sn/、Sn/Ag4/和Sn/ ，以及1206薄膜電阻 器制作。之后在-40度到125度的溫度范圍內(nèi)，以300、400、500次的15分循環(huán)量對(duì)該板施以熱沖擊。然后將焊點(diǎn)分切， 檢查是否存在裂痕。試驗(yàn)后檢查的結(jié)果顯示，Sn/Cu合金由于濕潤(rùn)性不好導(dǎo)致某些斷裂焊點(diǎn)的產(chǎn)生。此外，成形很好的Sn/Cu焊點(diǎn)在施以第三種500次重復(fù)循環(huán)設(shè)置的試驗(yàn)時(shí)，也顯示有斷裂。有意思的是Sn/Ag4/和Sn/合金在經(jīng)歷高達(dá) 500次重 復(fù)的試驗(yàn)后沒有任何斷裂跡象。這顯示出Sn/Ag/Cu合金具有Sn/Cu無法比擬的極為優(yōu)異的耐熱疲勞性。但需要注意的 是，Sn/Ag4/合金在經(jīng)過熱循環(huán)處理后焊點(diǎn)的晶粒結(jié)構(gòu)的確 產(chǎn)生了一些變化。機(jī)械強(qiáng)度-撓性測(cè)試測(cè)試板用Sn/、Sn/Ag4/和Sn/ ，以及1206薄膜電阻 器制作，對(duì)它進(jìn)行撓性測(cè)試。用Sn/制作的焊點(diǎn)在撓性測(cè)試中產(chǎn)生斷裂，這顯示焊點(diǎn)不能承受大范圍的機(jī)械應(yīng)力處理。 相反由Sn/Ag4/和Sn/制作的焊點(diǎn)卻滿足所有的撓性測(cè)試 要求?；旌辖鉀Q方案為消除電子行業(yè)存在的隱患，已開發(fā)出了一種完全無鉛 裝配的混合解