#(上)冷卻速率對無鉛再流焊焊點質(zhì)量的影響

1、冷卻速率對無鉛再流焊焊點質(zhì)量的影響史建衛(wèi)，江留學(xué)，梁永君，楊建民，柴勇（日東電子科技（深圳）有限公司）摘要：無鉛再流焊中冷卻速率影響焊點力學(xué)性能及可靠性?？焖倮鋮s可以細化組織，間接控制金屬間化合物厚度和形態(tài)，影響焊點斷裂模式，提高焊點綜合性能。但由于元件與PCB等材料的熱不匹配性而造成的較大應(yīng)力，易造成元件或焊點失效等。本文通過對文獻中研究結(jié)果的總結(jié)，設(shè)計了爐冷、空冷和水冷等幾種再流焊冷卻方式，并對焊點進行了強度測試和組織成分分析，建議工業(yè)用最佳冷卻斜率控制在36C/s。關(guān)鍵詞：冷卻速率；無鉛再流焊；金屬間化合物；焊點質(zhì)量；應(yīng)變速率EffectofCoolingRateonSolderJoin

2、tQualityInLead-freeReflowSoldering1ShiJianwei,JiangLiuxue,LiangYongjun,YangJianming,ChaiYong(SunEastElectronicTechnologyCompanyLt.d)Abstract:Coolingrateaffectsmechanicpropertyandreliabilityofsolderjointmarkedlyinlead-freereflowsoldering.Rapidcoolingratecanfinestructure,controlindirectlythicknessandm

3、odalityofintermetalliccompound,affectfailurestyleandreinforceperformanceofsolderjoint,butstressinducedbymismatchingbetweencomponentsandPCBmaterialsbringsaboutinvalidationofproduce.Thepapersummarizestheworkofdocumentsandprojectsaexperimentofovencooling,aircoolingandwatercoolingforreflowsoldering,test

4、ssolderjointsstrengthandanalyzesmetallographofinterfacecompoundaswell.Theoptimumscoolingrateis3to6Celsiuspersecondsinelectronicindustry.Keywords:CoolingRate;Lead-freeReflowSoldering;IntermetallicCompound(IMC);SolderJointQuality;StrainRate1引言無鉛化電子組裝給傳統(tǒng)組裝工藝帶來了一次變革，包括材料、設(shè)備及工藝各個方面，設(shè)計、生產(chǎn)及檢測等各個階段，均岀現(xiàn)了新的要求

5、與規(guī)范。就焊接工藝而言，無鉛再流焊后的冷卻速率問題引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。眾多研究表明，快的冷卻速率有利于焊點力學(xué)性能和可靠性的改善與提高。但在實際生產(chǎn)中，一方面考慮焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計所能達到的冷卻能力，另一方面考慮快速冷卻產(chǎn)生的負面影響，比如元件爆裂和分層失效等。最佳冷卻速率的研究迫在眉睫，值得注意的是，本文所述冷卻速率是指焊點冷卻到釬料熔點以下30C或更多這一區(qū)間的平均斜率，無鉛焊接中常以180C為基準，也有以150'C為基準的，一般認為溫度低于此值后焊點組織結(jié)構(gòu)不再發(fā)生明顯變化。2冷卻速率對焊點質(zhì)量的影響2.1冷卻速率對焊點強度的影響DenisBarbini等人對不同冷速下焊點組織結(jié)

6、構(gòu)進行研究發(fā)現(xiàn)：由快速冷卻(2.5C/s)過渡到慢速冷卻(0.5C/s)，焊點組織由均質(zhì)向離散變化，金屬間化合物由薄變厚、由平滑變粗糙。對冷速為2.5C/s下有鉛樣品和無鉛樣品進行熱循環(huán)后強度測試，發(fā)現(xiàn)剪切強度中位數(shù)分別降低23%和17%，無鉛釬料抗蠕變性能優(yōu)于有鉛釬料。對于無鉛焊點，快速冷卻形成的細小富錫枝狀晶和錫基體中彌散的細小Ag3Sn等顆粒使焊點抗斷裂強度提高，從而改善抗蠕變性能；慢速冷卻形成粗大的晶粒，在焊點基體內(nèi)和界面層出現(xiàn)Ag3Sn、Cu6Sn5或Ni3Sn4等塊狀金屬間化合物(如圖1)，容易產(chǎn)生裂紋并快速擴展，導(dǎo)致可靠性下降。圖一1SnAjg/Cu焊點內(nèi)出現(xiàn)的各科金屬間化合物S

7、.K.Kang等人試驗發(fā)現(xiàn)：快速冷卻(3C/s)增加極限拉伸強度和0.2%應(yīng)力，提高焊點剪切強度20%之多，有的甚至高達50%左右；增強Sn0.7Cu、Sn3.5Ag、及無鉛釬料可靠性。觀察Sn3.5Ag和微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力值變化，發(fā)現(xiàn)Sn3.5Ag釬料中晶界滑移機制在變形過程中并不明顯，抗蠕變性能的提高主要是彌散分布的Ag3Sn顆粒起到了強化作用。值得注意的是，慢速冷卻降低了SnO.7Cu、Sn3.5Ag無鉛釬料和純錫的剪切強度，但會輕微增加Sn37Pb釬料的剪切強度,這一現(xiàn)象要聯(lián)系合金的變形機理來分析。小應(yīng)變下晶界產(chǎn)生劃移，大應(yīng)變下位錯產(chǎn)生劃移。當位錯產(chǎn)生劃移占主導(dǎo)時，細顆粒結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致較高的材

8、料強度；當晶界產(chǎn)生劃移占主導(dǎo)時，大顆粒結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致較高的材料強度。2.2冷卻速率與應(yīng)變速率之間的關(guān)系等人試驗研究發(fā)現(xiàn)：快速冷卻（50°C/s）下焊點組織對應(yīng)變速率非常敏感，慢速冷卻（2°C31/s）下焊點組織延展性好，對應(yīng)變速率不敏感?？焖賾?yīng)變速率（10/s10/s）易產(chǎn)生焊點硬化，提高焊點剪切強度。表1為10-1/s應(yīng)變速率下快速冷卻和慢速冷卻焊點剪切強度的提高程度。值得注意的是10-3/s應(yīng)變速率下，Sn3.5Ag的強度和延展性均好于Sn0.7Cu和Sn37Pb，而純錫無論是快速冷卻還是慢速冷卻強度都最低。等人對8.3C/s、0.43C/s和0.012C/s三種冷卻速率下

9、的SAC合金進行剪切強度測試。圖2為在不同冷速下工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率在10-1/s10-2/s之間時，快冷比慢冷強度增加了近50%。圖3為不同釬料成分極限拉伸強度和0.2%應(yīng)力隨應(yīng)變速率變化關(guān)系圖，可以看出釬料抗拉強度和0.2%應(yīng)力最高，這主要是因為&Sn+Ag3Sn共晶組織的面積份數(shù)小和Ag3Sn化合物程小顆粒均勻分布的緣故，如圖4所示。此外，隨著冷卻速率的降低和銀含量的增加，共晶組織變的粗糙，彌散纖維狀A(yù)gaSn化合物減少，塊狀A(yù)gaSn成為主要化合物相，在低應(yīng)力或溫度循環(huán)條件下易碎特性容易產(chǎn)生缺陷。試驗還發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)后SAC305組織沒有明顯的粗化，熱穩(wěn)定性好。因此可以通過

10、減少Ag含量來減少塊狀A(yù)gaSn化合物，因為低Ag含量合金對冷卻速率依賴性較小。OdxJ4ai(y*iw4«*io*Strtrnrtt*(f*)StratarwWf*1)表1不同冷卻速率下焊點前切強度的提高程匱,條件心應(yīng)變速率：io'7sSnO.7CU+3Sn37PbSn3.SAg*3快冷松2930畑52卻19%*24%52%*1甘亠心£虛血aaScOO°oqOo°02不同冷卻速率下呵久5如力代u工程應(yīng)力亠應(yīng)變曲線*圖3不同釬料成分極限拉忡強度和IL2K應(yīng)力隨應(yīng)變速車變祀關(guān)累心2.3冷卻速率對焊點熱循環(huán)壽命的影晌-焊點熱循環(huán)壽命受蠕變、疲勞、高溫

11、氧化及釬料的冶金性能等多種因素影響。熱循環(huán)失效是指焊點在溫度循環(huán)或功率循環(huán)過程中，由于芯片載體材料和基板材料存在明顯的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異所導(dǎo)致的蠕變疲勞失效。通常SMT中芯片載體材料為AI2O3陶瓷，CTE為6.0ppm/C，基板材料為環(huán)氧樹脂/玻璃纖維FR4復(fù)合板，CTE為20.0ppm/Co當環(huán)境溫度發(fā)生變化或元件本身工作發(fā)熱冷卻時，由于二者間CTE差異，在焊點內(nèi)部就產(chǎn)生周期性變化的應(yīng)力應(yīng)變過程，在疲勞和蠕變的共同作用下導(dǎo)致焊點的失效。中速冷卻U4兀蟲快速冷卻83*C/sb)d)eSn3.OAgO,.5CuSn3.9AgO.GCu+J蘋同釬斜成分在不同冷卻速率下的焊點紐織心冷卻速率對

12、焊點熱循環(huán)疲勞壽命和高溫蠕變斷裂壽命的影響趨勢不盡相同。疲勞輝紋是疲勞斷裂的主要特征，沿晶斷口是蠕變斷裂的主要特征，高溫下有時也岀現(xiàn)穿晶。金屬抗疲勞性隨著晶粒的細化而增加，快速冷卻有利于提高應(yīng)變抗力，改善焊點抗疲勞性能。金屬抗蠕變性與晶粒的大小有關(guān)，冷卻速率越大，晶界數(shù)目越多，沿晶裂紋的數(shù)目就增加，焊點的抗蠕變能力就降低。Young-SunKim等人對不同冷速下釬料斷口進行SEM觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爐冷斷面斷口較平坦，空洞較少，沿晶裂紋細小，滑移線細密；而水冷斷面空洞、韌窩較多，有明顯的剪切滑移痕跡，如圖5所示?？斩吹淖兓赡苁怯捎跔t冷冷卻速率低，氣體容易逸出，而水冷冷卻速率快，焊劑和水分等產(chǎn)生的氣

13、體來不及逃逸而保存下來形成氣孔或空洞，同時也產(chǎn)生了許多微小空位。朱穎等人試驗發(fā)現(xiàn)水冷焊點在熱循環(huán)過程中，空位會不斷聚集形成較多空洞、韌窩、不平整的斷面，降低了焊點的熱循環(huán)壽命，但不呈現(xiàn)線形關(guān)系。實際焊接過程中，要求優(yōu)化工藝流程,調(diào)整溫度曲線，降低焊劑殘留量，使快速冷卻的優(yōu)勢得以發(fā)揮。(a)水凈UTC/s(b)爐冷丄D1805不同冷卻速率下焊點排伸斷口型貌2.4冷卻速率對焊點組織和IMC形態(tài)及厚度的影響X.DENG等人通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：水冷(106°C/s)和風(fēng)冷(5.4°C/s)條件下無鉛釬料/Cu界面IMC層的厚度相對爐冷(0.5C/s)條件下薄，呈層狀，生長面較平坦，而

14、爐冷條件下IMC呈扇貝狀，生長面厚度不均，如圖6所示。IMC厚度變化之所以受冷卻速率變化的影響，是因為冷速減小時相當于再流焊時間延長，界面反應(yīng)和原子擴散增強，IMC厚度增加。試驗還發(fā)現(xiàn)冷速越小，IMC形狀起伏越大，對于無鉛釬料/Cu界面，再流焊時間超過40s就會產(chǎn)生扇貝狀Cu6Sn5，對SMT焊點起到劣化作用。水冷ip6X?/s風(fēng)冷二gc/s泌股9/列圖&不同冷卻速率下卻心?？诮缑鎡嘰形東2.5冷卻速率對成分偏析的影響慢速冷卻易產(chǎn)生粗糙表面、焊點內(nèi)部空洞和偏析等缺陷，其主要岀現(xiàn)在含有Zn和Bi元素的釬料中。女口圖7所示，SnZnBi釬料在0.018°C/s冷速下，內(nèi)部組織產(chǎn)生

15、大的空洞和Bi的嚴重偏析?？焖倮鋮s可以減小和防止這種缺陷，但是如果含量過高，快速冷卻的作用就被弱化。圖8為含不同成分Bi元素的釬料在8.3C/s冷卻速率下的焊點組織，可以看出當Bi含量為3wt%時快速冷卻可以防止Bi偏析，但Bi含量為6wt%時，同樣會岀現(xiàn)偏析現(xiàn)象。趙智力等人對無鉛波峰焊焊點剝離現(xiàn)象進行研究，試驗發(fā)現(xiàn)，較多Bi含量的無鉛釬料在快速冷卻下也會產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，如圖9所示，快速冷卻對剝離現(xiàn)象影響不是很明顯。07慢速冷卻下焊點肉部出現(xiàn)的空澗與偏析a3不同再流焊冷卻速率研究實際工業(yè)生產(chǎn)中，焊接設(shè)備的冷卻能力達不到上述快速冷卻要求。對于無鉛再流焊工藝，冷卻速率在小范圍內(nèi)變化是否會影響焊點質(zhì)量

16、，周惠玲和徐波等研究人員選用不同種類焊膏，取峰值溫度240245C，對QFP和片式阻容元件進行了焊后質(zhì)量分析。tbitbi大BipjirlickSAC305SnSVPb平均J載荷“焊音種類心冷速口6.5,.XJ/訐冷速心4.15/C/s*3冷速心2rl.rz冷速2*1価Q屏948*凸837*8909-3*-969,4'845.4866.2899,丹820.0P822.8亠841.5心匸806.2匸138不冏成分科料在快速冷速下的焊點俎織Sn9ZnSn8Zn3BiSnSZnSBi-09Sn25Bi/Cu界面出規(guī)的剝需觀象(SEM)-首先對不同冷速下QFP引腳焊點進行45。拉脫試驗，之所以

17、選擇45。是原因這個角度可以有力的結(jié)合加載三種焊膏，制定四種冷卻速率，拉脫試驗結(jié)果見表2。周惠玲等人選用水冷機制冷、循環(huán)水冷卻和隨爐冷卻三種方式對SAC305焊點進行作業(yè)，同時為了反映冷速對焊點強度的影響程度，進行了冷速為2.5°C/s時不同氧含量對Sn3.5Ag和SAC305焊點強度的影響，表3為不同條件下焊點的拉脫載荷值。從試驗結(jié)果可以看岀：快速冷卻和低氧含量有助于提高焊點拉脫強度；當冷速大于2.8C/s后焊點拉脫強度提高程焊點拉脫強度都低于SAC305焊點，可能原因是SAC305中更細小的Cu6Sn5和Ag3Sn顆粒強化作用更表2不同冷速下QFP焊點拉脫載荷值卩測定速率:,5i

18、ut/inin單位匕感*j在焊點上的剪切和拉伸兩種力而得到較為精確的測定值。徐波等人選用Sn3.5Ag、SAC305和Sn37Pb度不大，而低氧含量條件下促進潤濕而改善焊點幾何形狀，對強度影響較大；各種實驗條件下,Sn3.5Ag表3不同條件下QFP煜點拉脫載荷值測定遠率=biwi/jiin單位土戰(zhàn)+'冷卻方式心做機制泠4,恥循環(huán)水冷卻2£匸/貳爐冷卻13匸冷門平均載荷值*991.9971.2S42.7*5*氧氣濃度Q1000050001000?00500円SAC3O5P*平均958P1OS3+31092P1119P1057P*Sn3,5A''859*>8

19、91+-11023110210701028-此外，研究人員還對2012型電阻進行了不同冷卻速率下的推薦強度試驗，結(jié)果見表4。從試驗數(shù)據(jù)可得：無鉛釬料焊點強度低于有鉛釬料，可能的原因是由于潤濕性差導(dǎo)致焊點幾何形狀不佳；Sn3.5Ag釬料在大的冷卻速率下強度反而下降，可能的原因是過快的冷卻導(dǎo)致焊點內(nèi)氣孔過多而強度弱化；不通無鉛釬料在冷卻速率大于2.1C/s情況下，剪切強度都較高。表4不同冷速下R2012焊點拉脫載荷價、測定速率：匕5.顧/$單位：惑？焊嘗種類心冷遠*J6.5T?/s冷遠4冷遠*J,3,-10,/s*7冷遠2.1.lSC/s*3Sn354（牢平均J裁荷心51435866心曲42*42

20、48SAC3O56021551752775583Sn37Pb7637*衛(wèi)r快速冷卻下焊點強度提高，可以用霍爾-佩奇公式來解釋。焊點強度與晶粒直徑之間滿足以下關(guān)系:Iq=+如2式中表示晶粒內(nèi)部對變形的阻力，d表示晶粒直徑，k為常數(shù)。該公式表明：隨著晶粒的細化，合金強度增大。其次，根據(jù)Hall-Petch公式，合金強度的提高與晶粒大小之間的關(guān)系為：式中為合金強度的增加值；k為材料常數(shù)；D為晶粒直徑。該公式表明：隨著晶粒的細化，合金強度的增加愈大；細晶粒結(jié)晶的韌性與抗熱疲勞性能遠比粗晶粒好。冷卻速率同時也影響結(jié)晶時二次枝晶的間距和大小。枝晶間距主要受凝固時間的影響，滿足以下關(guān)系:SDA二熔式中SDA助二次枝晶的間距，ts為凝固時間，k為與材料有關(guān)的常量。根據(jù)凝固原理,增加冷卻速率，相當于減少凝固時間，從而減小了二