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无铅焊接中的材料与工艺问题

日期:2014年9月24日 19:31

目前很多国家都在积极立法限制铅的使用以保护环境,这也推动了无铅电子组装的应用。但各种新型合金的整合性和可靠性问题现在仍没有彻底解决,到底应选择何种合金已迫在眉睫。本文对Sn/Ag、Sn/Ag/Cu和Sn/Cu合金进行研究,比较这些合金的可靠性试验结果和工艺上的一些问题。

无铅替代方案中现在提得较多的是用银或铜代替焊料中的铅,因此我们下面主要对锡与这几种金属组合所形成的合金进行讨论。

Sn/Ag合金

Sn/Ag3.5~4.0在厚膜电路和电子装配中有着悠久的历史,因此业内人士认为用Sn/Ag焊料作为Sn/Pb替代品应该很方便,但是这种材料却有几个问题。首先,该焊料的熔点(221℃)和回流焊峰值温度(240℃~260℃)相对于许多表面安装器件和工艺来说都太高;其次,它里面含有3.5%~4%的银,将会因成本过高而在某些领域受到限制;第三也是最重要的一点,这种焊料因为银相变化而无法通过可靠性试验,这主要是由于合金内不同区域冷却速率不同而造成。

为了深入研究这种焊料,我们将一条Sn96/Ag4锡块进行回流并从底部强制冷却,然后检查它在不同冷却速率下的微观结构。如图1所示,Sn96/Ag4合金由于冷却速率不同而有三种金相结构,这种结构缺陷与焊点上发生的情况很类似,可能引起现场失效。正是由于这个缘故,多数OEM厂商和工业组织都反对采用Sn/Ag作为主要的无铅焊料,银的相变问题还引起人们对含银量高的Sn/Ag/Cu合金的担心。

Sn/Ag/Cu合金

尽管存在专利方面的问题,世界上多数国家还是主张使用Sn/Ag/Cu系列合金,但是应选择什么样的比例呢?本文重点研究其中两种,即一些业界组织关注的Sn/Ag4/Cu0.5以及低含银量对照合金Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5。

在分析这两种合金的可靠性试验结果之前,可以先从经验上对它们做一个比较。总体来讲,它们非常相似,都有很好的疲劳特性、优良的整体焊接强度和丰富的材料供货源,但也有些细微的差别值得进行讨论。

熔点 两种合金的熔点很接近:Sn/Ag4/Cu0.5是218℃,Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5是217℃。虽然熔点对现实应用有无影响还有待商榷,但如果能够严格控制回流焊工艺,熔点温度降低对于减少元件在高温下的停留时间将会有积极影响。

湿润性 在比较这两种合金时,有必要先问一下为什么要选择一种含银量高的合金,因为这会增加成本。一些人认为含银量高的合金有助于提高湿润性,但是湿润试验(图2)表明,含银量低的合金实际上比含银量高的合金湿润性更强。

专利状况 业界希望能找到一种可以广泛使用的合金,所以不会考虑有专利保护的类型。尽管Sn/Ag4/Cu0.5没有专利保护,而Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已注册了专利,但还是应该用更为慎重的观点来看待专利的影响以及这些合金供应渠道的真实数量。

如上所述,Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5已注册了专利,不过它已被许可转让给了众多焊料制造商且没有数量上的限制,同时无需初始费用。Sn/Ag4/Cu0.5没有注册专利,但用这种焊料的用户应该知道,该合金所形成的焊点却可能申请了专利,美国法律允许销售这种产品的电子级焊料制造商数量是极其有限的。

虽然Sn/Ag4/Cu0.5所形成的焊点可能会违反现有专利,业界还是推荐使用这类合金,因为人们认为这种工艺过去就已经存在,所以不应再受专利的保护。但这是错的,因为多数专利既包括合金组分又包括应用(焊点)。换言之,如果能证明以前就有这样的工艺,那么合金成分可能就不会受专利保护;但是如果专利写得比较详细(包括了应用部分),那么该工艺就必须要面对受到专利保护的焊接过程。从根本上讲,这意味着制造商使用的即使是专利范围之外的合金(如Sn/Ag4/Cu0.5),但如果在制造期间焊料“吸收”了其中某种金属(通常为Cu),形成含有专利保护成分的金属互化物,那么制造商就会因违反专利而可能会引起法律诉讼。

金属成本 高银含量(银的数量在3.5%~7.7%之间)会使合金成本很高,在填充波峰焊机的锡槽时,银含量每上升1%将使每公斤成本增加1.45美元。为减少开支,有人建议在波峰焊中使用不含银的无铅焊料,而将含银合金仅用于表面安装组件。下面会讨论到,这将因Sn/Cu缺陷以及双合金工艺而可能导致产品失效。

Sn/Cu合金

尽管Sn/Cu合金可以节约一部分成本,但它也有几个问题必须要考虑。首先,这种合金的熔点是227℃,因此在许多温度敏感场合其应用会受到限制;其次,各种情况证明,与其它无铅焊料相比这种合金湿润性较差,在很多时候要求使用氮气和活化程度高的助焊剂,并可能引起与湿润有关的问题;第三,Sn/Cu的毛细作用力很低,难于吸入PTH的孔中,同时它缺乏表面安装组件所需要的抗疲劳性;最后,这种合金很差的疲劳特性会引起现场失效,完全抵消因低廉的价格所带来的初期成本节约。

双合金工艺

还应该指出的是,除了Sn/Cu本身的缺点之外,在组装中应用两种焊料合金(如SMT用Sn/Ag/Cu而波峰焊用Sn/Cu)也会产生问题。最好不要将Sn/Ag/Cu和Sn/Cu混杂使用,因为这会引起焊点合金不均匀,出现这种情况后,焊点可能因无法释放应力和应变而容易受疲劳失效的影响。正是由于这种潜在的混杂问题,双合金工艺的修复或修整也需要准备两种合金,并且还要有特别操作说明和监督,才不致于使合金混杂。但遗憾的是不管管理得有多好,操作人员总是喜欢用最容易使用的焊料,即流动性最好并且熔点温度较低的合金,所以许多焊点都可能用Sn/Ag/Cu进行修补,即使这些原先是用Sn/Cu装配。这好比是免洗和RA芯焊锡丝并用的情况,如果它们都放在生产线上,RA经常会被滥用,原因很简单,就是因为它容易用。所以从根本上来讲,双合金组装工艺会引起可靠性问题,且很难进行管理。

焊点可靠性试验

为了分析Sn/Cu和Sn/Ag/Cu合金的可靠性,对它们分别进行热和机械疲劳试验,试验情况如下。

热循环试验 在一块试验板上用Sn/Cu0.7、Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5焊接1206薄膜电阻,然后将试验板在-40℃~+125℃之间分别进行300、400和500次15分钟热冲击试验,完成之后对焊点进行截面分析,检查有无裂缝。

试验后的检验表明,Sn/Cu合金由于湿润性差(图3)而会使焊点出现裂缝,Sn/Cu形状完好的焊点在第三组试验板循环到500次时也出现了裂缝。

有意思的是,Sn/Ag4/Cu0.5和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5(图4)合金在试验到500次时没有出现任何裂缝,这表明Sn/Ag/Cu与Sn/Cu相比具有非常优良的抗热疲劳性。但是从图4也可以明显地看到,Sn/Ag4/Cu0.5合金在热循环后整个焊点的晶状结构确实也出现了一些变化。

机械强度-弯曲试验 用同样的试验板进行弯曲试验,可以看出Sn/Cu0.7(图5)制成的焊点在弯曲试验时出现裂缝,表明焊点不能承受较大的机械应力。相反,Sn/Ag4/Cu0.5和n/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5形成的焊点则全部都通过了弯曲试验要求。

新型方案

为缓解电子业界对无铅焊接的担心,Consultech International公司半导体独立咨询顾问Bance Hom开发了一种全面无铅组装新方案。她采用不光滑的Sn/Pb引脚镀层(QFP 208 IC)、涂有机表面保护剂的PWB和Sn/Ag2.5/Cu0.7/Sb0.5合金焊膏,做出全无铅组装件同时并没有大幅增加复杂性和费用。她成功的关键在于组件的回流焊峰值温度为234℃,应该指出的是,这些组件是在惰性气体下进行加工的。当然,并不是所有组件都能在上述环境下组装,因为元件的来源问题以及不可能在所有组件上都达到234℃峰值温度(由于元件质量、夹具等会引起ΔT不同),但重要的是,在有些情况下应用某些材料还是能很容易地实现无铅焊接。

本文结论

人们对无铅焊料具有很大的热情,主要原因来自于对立法和市场的担心,这也引发了大量的行业组织活动,其中有些对业界很有帮助。

Sn/Cu合金有一些与工艺和可靠性有关的问题,另外在用两种合金装配电路板时也比较困难。如前所述,银是Sn/Ag/Cu合金中最贵的部分,和低银含量合金相比,高银合金在工艺、可靠性及供应方面没有什么明显的优点,因此所有焊接应用中自然会使用成本较低的材料。事实上低银合金解决了高银合金的银相变化问题,具有较好的湿润性和更低的熔点温度,而且低银合金在世界上已有好几家焊料生产商在进行制造,因此JEIDA在日本将其推荐广泛使用。最重要的是,含银量低的Sn/Ag/Cu合金可以给用户提供Sn/Ag/Cu系列合金的优点,不会受成本困扰,可用在所有焊接场合,同时它还解决了Sn/Cu合金和双合金工艺会带来的问题。

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