開發(fā)高性能無鉛波峰焊料合金的重點

11開發(fā)高性能無鉛波峰焊料合金的重點在開發(fā)高性能無鉛波峰焊料合金時，研究人員必須評估四項主要特性：工藝良率、銅浸出率、浮渣形成和熱／機械可靠性。

波峰焊是電子工業(yè)中許多領(lǐng)域的關(guān)鍵工序，轉(zhuǎn)移使用無鉛生產(chǎn)蘊藏著一些本錢因素，其中之一是焊料合金的本錢和性能，單單使用錫銅合金就會讓用戶的合金本錢增加一倍以上，而且由于其工藝良率不佳，所以會造成更大的影響。與錫鉛合金相比，目前可用的錫／銀／銅(SAC)

合金將使合金本錢提高三倍以上，但是通常在工藝良率方面比錫銅系列好得多。許多任務(wù)廠就因為這個理由而選擇了較貴的合金，因為工藝性能與企業(yè)的周功和生存息息相關(guān)。這個選擇造成的兩難境況已成為開發(fā)新合金系列的推動力，鼓勵業(yè)界開發(fā)一種既能實現(xiàn)諄工藝良率、又不如SAC合金系列那么昂貴的新型合金。

選擇合金

無鉛波峰焊接工藝現(xiàn)在處于早期開發(fā)階段，據(jù)估計，目前使用無鉛合金的波峰焊槽缺乏5％．在開發(fā)高性能無鉛焊料合金時，研究人員必須評估主要特性，以及什么材料變量會構(gòu)成這些特性(表1)。

表1

影響波峰焊接工藝良率的材料變量

錫／銀／銅(SAC)可為波峰焊接過程提供最好的工藝良率，而且許多用戶信賴SAC的良好可靠性。目前這是最受歡送的波峰焊料合金系，但是3％

的銀含量使其單位材料本錢比擬高。

錫／銅共晶合金的本錢低于SAC合金，但根本銅錫合金及其改性變種的工藝良率一貫比不上SAC合金。

因此，在研發(fā)新合金的配方設(shè)計時，必須同時提供較低的單位材料本錢，以及相當(dāng)?shù)墓に嚵悸省⒃O(shè)備兼容性、組件與電路板兼容性和可靠性。

工藝性能要求

研發(fā)新合金的配方時需要滿足的工藝性能包括：

1.固相線／液相線溫度：層壓電路板和組件受最高工作溫度所限，如果高于這個溫度，電路板和組件就會損壞。該項數(shù)據(jù)說明，每個合金系列在這些溫度約束范圍和工藝窗口內(nèi)的適用性；

2.粉末合金的機械特性：這包括硬度、最大載荷應(yīng)力和延伸率。這些特性綜合起來說明焊點的機械強度：

3.潤濕速度：潤濕平衡試驗通常用來測量組件?？珊感圆⑶易鳛殚_發(fā)和試驗助焊劑的輔助工具，但是只要保持試驗變量不變，就能把潤濕試驗當(dāng)作衡量合金性能的一個相對尺度：潤濕速度較快可以縮短焊料的接觸時間，從而加快生產(chǎn)速度并減少電路板銅覆層的溶解。

4.銅溶解速率：PCB的銅覆層以這個速度溶入波峰焊接槽，這是無鉛工藝的一個很重要的問題，特別是在使用CuOSP焊盤外表處理的情況下更為突出。過去Sn／Pb焊接過程中，銅溶解濃度到達(dá)0.3左右，焊槽便到達(dá)了平衡點。在無鉛焊接過程中，由于錫槽溫度和錫含量較高而加速銅的溶解。銅濃度上升使液線溫度提高因此不得不提高錫槽溫度，才能保證溫度高于液相線(以保持工藝良率)。然而，這樣做又會加快銅溶解，從而造成惡性循環(huán)。因此，必須適當(dāng)控制焊槽中的銅含量,以保證工藝良率。工藝良率

所有專業(yè)生產(chǎn)人員都知道，材料本錢與材料對工藝良率的影響相比幾乎算不了什么，工藝良率一旦發(fā)生跳變，就會對生產(chǎn)線的盈利能力造成非常嚴(yán)重的影響，合約式的電子制造商(CEM)對此感受尤深。

表2濕潤平衡試驗結(jié)果

表3

銅溶解速率

在波峰焊接過程中，焊接缺陷數(shù)量與助焊劑、合金、合金純度、PCB／組件外表處理、PCB設(shè)計布局以及環(huán)境和工藝設(shè)置之間存在原有的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在向無鉛波峰焊過渡的過程中，我們正在轉(zhuǎn)向一個逐漸縮小的工藝窗口，

因此，工藝技術(shù)人員的重要任務(wù)之一是擴(kuò)展工藝窗口，使工藝過程能夠獲得令人滿意的結(jié)果(輸出)，同時最大限度地減小本錢的影響(輸入)。

如上所述，合金的某些主要特性對波峰焊接效果有著顯著的影響。潤濕速度較慢和流動性較差，可能轉(zhuǎn)化成漏焊或局部潤濕缺陷的增多。漏焊在在線測試(ICT)

或功能驗證測試(FVT)中可能未被發(fā)現(xiàn)，因為引線末端與PCB焊盤之間可能存在斷續(xù)的電接觸。

錫橋會對電路的功能性造成恒久的影響，不過用人工或自動檢驗方法都能容易地檢測出來。在目前大局部無鉛制造工藝中都發(fā)現(xiàn)了錫橋缺陷增加，而且主要是由于合金外表張力較大，造成焊點回流不良。這兩種嚴(yán)重缺陷

(錫橋和漏焊)的自然補救方法是減慢焊接傳輸速度和提高錫槽和預(yù)熱溫度。減慢傳輸速度確實增加合金潤濕焊點的時機，卻減慢了生產(chǎn)速度并會增加軟熔頂面組件的可能性，因此這樣做有可能損壞焊點。

提高錫槽溫度顯然會增加合金的流動性，從而改良回流和減少錫橋。但是這種作法也有缺點：增加層壓電路板和組件受損與二次回流的時機，并提高銅溶解率和浮渣形成速率。合金浮渣對波峰焊接過程的經(jīng)濟(jì)性造成很大的影響，雖說重要性比不上工藝良率，但是增加合金本錢使浮渣問題變得比以前更為重要，因此，設(shè)法減小成渣率成為每個工程師注意的焦點。

合金配方設(shè)計將影響合金的固有成渣率(drossing)。有6個易變因素影響成渣率：溫度、攪動、周圍空氣、合金純度、合金調(diào)制和浮渣復(fù)原劑。

就合金純度而言，鋁、鋅和鎘含量高到50ppm會造成過多的浮渣。未經(jīng)攙雜的純潔原材料多半含有過量的懸浮氧化物，在合金熔融過程中通過多級化學(xué)處理對合金加以調(diào)制，可以去除這些懸浮氧化物。成渣形式也很重要，許多合金生成的浮渣飽含金屬，這種情況并不理想，因為在焊槽除渣過程中浮渣把有用的金屬都除去了。現(xiàn)時市面上有各種各樣的浮渣復(fù)原劑，按50至100ppm左右的量添加于波峰焊料合金，可以使浮渣奇跡般地變成千粉，這樣，除渣時便能夠防止把有用的合金帶出去。潤濕速度是波峰焊的一個重要因素，許多研究說明，在以排除氧氣的方式減小成渣率的同時，局部氣體惰性化可以大大增加潤濕速度，這個選擇方案可以代替提高錫槽溫度。杜使用搭可靠爭性

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