【正文】 變化，使得熔點不能保持穩(wěn)定，合金的復雜程度越高，其發(fā)生變化的可能性就越大。 焊點外觀 焊點的外觀應與錫 /鉛焊料接近，雖然這并非技術性要求，但卻是接受和實施替代方案的實際需要。 供貨能 力 當試圖為業(yè)界找出某種解決方案時，一定要考慮材料是否有充足的供貨能力。從技術的角度而言，銦是一種相當特別的材料，但是如果考慮全球范圍內銦的供貨能力，人們很快就會將它徹底排除在考慮范圍之外。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 10 頁 共 55 頁 另外業(yè)界可能更青睞標準合金系統(tǒng)而不愿選專用系統(tǒng)，標準合金的獲取渠道比較寬，這樣價格會比較有競爭性，而專用合金的供應渠道則可能受到限制，因此材料價格會大幅提高。 與鉛的兼容性 由于短期之內不會立刻全面轉型為無鉛系統(tǒng)，所以鉛可能仍會用在某些元件的端子或印刷電路板焊盤上。有些含鉛合金熔 點非常低，會降低連接的強度，如某種鉍 /錫 /鉛合金的熔點只有96℃，使得焊接強度大為降低。 金屬及合金選擇 在各種候選無鉛合金中，錫 (Sn)都被用作基底金屬，因為它成本很低，貨源充足，并具備理想的物理特性，如導電 /導熱性和潤濕性，同時它也是 63Sn/37Pb 合金的基底金屬。通常與錫配合使用的其它金屬包括銀 (Ag)、銦 (In)、鋅 (Zn)、銻 (Sb)、銅 (Cu)以及鉍 (Bi)。 p 之所以選擇這些材料是因為它們與錫組成合金時一般會降低熔點，得到理想的機械、電氣和熱性能 。表 1 列出了各種金屬的成本、密度、年生產能力和供貨方面的情況，另外在考察材料的供貨能力時，將用量因素加在一起作綜合考慮得出的結果會更加清晰，例如現在電子業(yè)界每年 63Sn/37Pb 的消耗量在 萬噸左右，其中北美地區(qū)用量約為 萬噸，此時只要北美有 3%的裝配工廠采用含銦 20%的錫 /銦無鉛合金，其銦消耗量就將超過 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 11 頁 共 55 頁 該金屬的全球生產能力。 近 5 年來業(yè)界推出了一系列合金成分建議，幷且對這些無鉛替代方案進行了評估。備選方案總數超過 75 個，但是主要方案則可以歸納為不到 15 個。面對所有候選合金，我們采用一些技術規(guī)范將選擇縮到一個較小的范圍內便于進行挑選。 銦 銦可能是降低錫合金熔點的最有效成分，同時它還具有非常良好的物理和潤濕性質，但是銦非常稀有，因此大規(guī)模應用太過昂貴?；谶@些原因，含銦合金將被排除在進一步考慮范圍之外。雖然銦合金可能在某些特定場合是一個比較好的選擇，但就整個業(yè)界范圍而言則不太合適，另外差分掃描熱量測定也顯示，只有 114℃，所以也不太適合某些應用。 鋅 鋅非常便宜，幾乎與鉛的價格相同，并且隨時可以得到，同時 它在降低錫合金的熔點方面也具有非常高的效率。就鋅而言，其主要缺點在于它會與氧氣迅速發(fā)生反應，形成穩(wěn)定的氧化物，在波峰焊過程中，這種反應的結果是產生大量錫渣，而更嚴重的是所形成的穩(wěn)定氧化物將導致潤濕性變得非常差。也許通過惰性化或特種焊劑配方可以克服這些技術障礙，但現在人們要求在更大的工藝范圍內對含鋅方案進行論證，因此鋅合金在今后考慮過程中也會被排除在外。 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 12 頁 共 55 頁 鉍 鉍在降低錫合金固相溫度方面作用比較明顯，但對液相溫度卻沒有這樣的效果，因此可能會造成較大的固液共存溫度范圍，而凝固溫度范圍太大將導致 焊腳提升。鉍具有非常好的潤濕性質和較好的物理性質，但鉍的主要問題是錫 /鉍合金遇到鉛以后其形成的合金熔點會比較低，而在元件引腳或印刷電路板的焊盤上都會有鉛存在，錫 /鉛 /鉍的熔點只有 96℃，很容易造成焊點斷裂。另外鉍的供貨能力可能會因鉛產量受到限制而下降，因為現在鉍主要還是從鉛的副產品中提煉出來，如果限制使用鉛，則鉍的產量將會大大減少。盡管我們也能通過直接開采獲取鉍，但這樣成本會比較高?；谶@些原因，鉍合金也被排除在外。 四種和五種成分合金 由四種或五種金屬構成的合金為我們提供了一系列合金成分組合形式，各種可能性不勝枚舉。與雙金屬合金系統(tǒng)相比，大多數四或五金屬合金可以大幅降低固相溫度，但對降低液相溫度卻可能無所作為，因為大部分四或五金屬合金都不是共晶材料，這意味著在不同的溫度下會形成不同的金相形式，其結果就是回流焊溫度不可能比簡單雙金屬系統(tǒng)所需的低。 另外一個問題是合金成分時常會發(fā)生變動，因此熔點也會變，這在四或五金屬合金中會經常遇到。由三種金屬組成的合金很難在焊錫膏內的錫粉中實現“同批”和“逐批”一致，在四種和五種金屬組成的合金中實現同樣的一致性其復雜和困難程度 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 13 頁 共 55 頁 更大。 所 以多元合金將被排除在進一步考慮范圍之外，除非某種多元合金成分具有比二元系統(tǒng)更好的特性。但就目前來看，業(yè)界還沒有找到哪種四或五金屬合金比二元或三元替代方案更好 (無論在成本上還是性能上 )。 表 2 列出一些主要無鉛替代方案，以及最終選用或不選用的原因，表中包括了單位重量價格、單位體積價格 (對焊錫膏而言單位體積價格更具成本意義 )以及熔點等信息，這些合金按照其液相溫度遞增順序排列?，F根據每種焊接應用的特殊要求分別選出合適的合金。 先考慮焊條 (波峰焊 )和焊線 (手工和機器焊接 )。 對波峰焊用焊條的要求 包括： a. 能在最高 260℃錫爐溫度下進行連續(xù)焊接； b. 焊接缺陷 (漏焊、橋接等 )少； c. 成本盡可能低； d. 不會產生過多焊渣。 結果所有選中的合金都符合波峰焊要求，但 95Sn/5Sb 合金與其它替代方案相比能夠節(jié)省更多成本。比較而言， ℃，因此。 手工焊用錫線的要求與上面焊條應用非常相似，成本考慮仍然居于優(yōu)先地位，同時也要求能夠提供較好的潤濕和焊接能 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 14 頁 共 55 頁 力 。焊線用合金必須能夠很容易地拉成絲線，而且能用 345～370℃的烙鐵頭進行焊接， 。 與焊條和焊線相比，焊錫膏較少考慮合金成本，因為金屬成本在使用焊錫膏的制造流程總成本中所占比重較少，選擇焊錫膏合金的主要要求是盡量降低回流焊溫度?？疾毂碇兴泻辖穑梢园l(fā)現液相溫度最低的是 (熔點 217～ 218℃ )和 (熔點 221℃ )。 這兩種合金都是較為合適的選擇并各具特點，相比之下Sn/Ag/Cu 合金的液 相溫度更低 (雖然只有 4℃ )，而 Sn/Ag 合金則表現出更強的一致性和可重復制造性，并已在電子業(yè)界應用多年，一直保持很好的可靠性。有些主要跨國公司已經選擇共晶Sn/Ag 合金進行評估作為無鉛替代方案，大多數大型跨國公司也開始對 Sn/Ag/Cu 合金作初步高級測試。 實測評估結果 波峰焊評測 將 Econopak Plus 波峰焊機進行測試，這種波峰焊機配備有 USI 超聲波助焊劑噴涂系統(tǒng)、 Vectaheat 對流式預熱和“ A”波 CoN2tour 惰性系統(tǒng)。測試在兩種無鉛印刷電路板上進行：帶 OSP 涂層的裸銅板和采用浸銀拋光的裸銅板 (Alpha 標準 )，兩種電路板都采用固態(tài)含量 2%且不含 VOC 的免清洗助焊劑 (NR300A2)。另外作為對照，將同樣的電路板在相同設備上采用相同條件進行焊接，只是 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 15 頁 共 55 頁 焊料用傳統(tǒng) 63Sn/37Pb 合金。 通過實驗可得出以下結論： 如果采用 ，則有必要對波峰焊機進行惰性處理以確保得到適當的潤濕度，但不需要對波峰焊機或風道進行完全惰性處理，用 CoN2tour 公司的邊界惰性焊接系統(tǒng)即已 足夠。 使用 接的電路板沒有區(qū)別，焊點的光亮程度、焊點成型、焊盤潤濕和通孔上端上錫情況也基本一樣。 與 Sn/Pb 合金相比， Sn/Cu 合金的橋接現象較少，但由于測試的條件有限，因此對這一點還需要作更進一步的研究。 ℃溫度條件下焊接非常成功，在245℃條件下也沒有問題。 采用 Sn/Cu 合金的幾個星期內銅的含量沒有發(fā)生變化，之所以關注這一問題，是因為銅在錫中的溶解度很低，而 且與溫度有很大關系。在大批量生產中，電路板的銅吸收情況與用 Sn/Pb 合金時相同。 印制和回流焊評測 針對 Sn/Ag 和 Sn/Ag/Cu 合金開發(fā)了一種新的助焊劑，以便在更高回流焊溫度下得到較好的潤濕效果，因為回流焊溫度較高時 (比常規(guī)回流焊溫度高 20℃ )要求助焊劑中的活性劑應具備更高的熱穩(wěn)定性。另外如果在空氣中工作，回流焊溫度較高還可能使普通免清洗助焊劑變色，所以這種助焊劑對高溫要有很強的承 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 16 頁 共 55 頁 受能力。在 ，即使空氣溫度達到 240℃，它也 不會變?yōu)樽厣蜱晟? UP 系列焊錫膏在印刷測試中表現非常好，測試時采用的是MPM UP2020 印刷機，印刷條件包括 6mil 厚激光切割網板、印刷速度 25mm/秒、網板開口間距 16～ 50mil以及接觸式印刷，焊膏印出的輪廓非常清晰且表現出良好的脫模性能。另外這種焊錫膏在中止印刷后 (停放超過一小時 )再開始使用時無需進行攪拌，其網板使用壽命在 8 小時以上，粘性也可保持 8 小時。 回流焊采用 Electrovert Omniflo 七溫區(qū)回焊爐，在空氣環(huán)境下進行焊接。回焊曲線如圖 1，從圖中可看出溫度在 200 秒時間里以近似線性的速率上升到 240℃，溫度高于熔點 (221℃ )的時間為 45 秒。 得出結論如下： UP 系列焊錫膏 印刷性。 無鉛焊錫膏能提供良好的粘力且能保持足夠的時間。 對測試板而言， ℃最高溫度是可以接受的。 回流焊無需氮氣也能取得很好效果。 焊點光亮度好，與標準 Sn/Pb 合金相同。 助焊劑殘留物外觀 (顏色 及透明度 )比采用 Sn/Pb 合金及普通 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 17 頁 共 55 頁 助焊劑在標準熱風回流焊 (峰值溫度 220℃，高于 183℃的時間為45 秒 )后的情形好得多。 潤濕和擴散特性與 Sn/Pb 標準合金相同。 當使用沒有阻焊膜的裸 FR4 板子時，過高的回流焊溫度會使線路板出現嚴重變色 (變深 )，淺綠色阻焊膜會使變色看起來較輕，中 /深綠色阻焊膜則使變色基本上看不出來。 有些元件經高溫回流焊后會出現變色和氧化跡象，將這種無鉛焊料用于兩面都有表面安裝器件的電路板上時，建議在回流焊后再安裝需作波峰焊接的底面 SMD 器件，以免過度受熱影響可焊性。 用 UP 系列 ，只是回流溫度提高了 3～ 5℃。 其它特性 選擇一種簡單普通二元合金的最大好處在于它已經完成了大量測試且已被廣泛接受，如 域應用了很長的時間。 測試，并在一些地方顯示出非常相似的性能和優(yōu)點。 福特汽車公司對使用 Sn/Ag 合金的測試板和實際電子組件進行了熱循環(huán)試驗 (40℃～ 140℃ )，已完成全面熱疲勞測試研究，另 外他們還將無鉛組件用于整車中，測試結果顯示 Sn/Ag 合金的可靠性與 Sn/Pb 合金相差無幾甚至更好。摩托羅拉公司也已經完成了 Sn/Ag 和 Sn/Pb 合金的熱循環(huán)和振動研究，測試表明 Sn/Ag 中國最大的管理資料下載中心 (收集 \整理 . 部分版權歸原作者所有 ) 第 18 頁 共 55 頁 合金完全合格，其它 OEM 廠商在各自的 Sn/Ag 和 Sn/Ag/Cu 合金研究中也得到了類似的結論。 根據研究結果， Sn/Ag 和 Sn/Pb 在導電性、表面張力、導熱性和熱膨脹系數等各方面所取得結果大致相當 (見表 3)。 本文結論 通過上述討論，我們可以得到一個實際可行的標準無鉛焊接工藝，其基本內容包括：